日前，中國科學(xué)家通過持續(xù)供氧，成功將單晶石墨烯薄膜的制備速度提高了150倍。
8月8日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)在線刊登了中國科學(xué)家的論文——《持續(xù)供氧可極大提高單晶石墨烯的制備速度》(Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuous oxygen supply)。
來自中國北京大學(xué)、武漢大學(xué)、南方科技大學(xué)和香港理工大學(xué)的科研團(tuán)隊表示，他們在使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備單晶石墨烯薄膜時，在催化劑銅箔下方15微米處放置了一個氧化物襯底材料，后者為石墨烯薄膜的合成過程持續(xù)供氧，極大降低了碳原料分解的能壘(活化分子含有的能參加化學(xué)反應(yīng)的最低限度的能量)，將化學(xué)氣相沉積法平均低于0.4微米/秒的制備速度提高了150倍至60微米/秒，并成功在5秒內(nèi)制備出了一片橫向尺寸為0.3毫米的單晶石墨烯薄膜，研究人員稱，這比以往的制備方法高出了兩個多數(shù)量級。
據(jù)今年4月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會公布的《石墨烯材料的術(shù)語、定義及代號》(征求意見稿)，將石墨烯定義為由一個碳原子與周圍三個近鄰碳原子結(jié)合形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子單層；石墨烯薄膜指在一定基體上生長的單層石墨烯、雙層石墨烯或多層石墨烯，且可從生長基體轉(zhuǎn)移到其它基體上。
石墨烯粉末和石墨烯薄膜目前是石墨烯材料的兩種主要形式。前者多摻雜在其他材料中使用，多應(yīng)用于涂料和鋰離子電池領(lǐng)域；石墨烯薄膜則在電子、光子及光電設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，極具發(fā)展前景。
目前石墨烯材料的幾種常見制備方法有機械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、液相剝離法、高溫裂解法和插層剝離法六種。其中，液相剝離法和氧化還原法主要用于制備石墨烯粉末，化學(xué)氣相沉積法則因其操作的簡易性和成本效益成為了目前最常見的大尺寸石墨烯薄膜制備方法。化學(xué)氣相沉積法指的是高溫下含碳原子氣體在襯底(如金屬或非金屬等)表面分解并沉積生成石墨烯材料的方法。
美國《IEEE綜覽》雜志8月9日報道稱，中國科研團(tuán)隊在實驗化學(xué)氣相沉積法時，將氧化物襯底材料置于800攝氏度以上的高溫環(huán)境中，使其能夠持續(xù)釋放氧氣。電子能譜學(xué)的測量結(jié)果表明，氧化物襯底材料的確釋放了氧氣。盡管產(chǎn)生的氧氣量相當(dāng)有限，但氧化物襯底材料與銅箔之間的微小空間形成了陷阱效應(yīng)(在有非平衡載流子時，雜質(zhì)能級積累某一種非平衡載流子的效應(yīng))，由此擴大了氧氣發(fā)揮的效用。
研究人員認(rèn)為，如果將這種超速合成的化學(xué)氣相沉積法與滾動式制造技術(shù)相結(jié)合，將很有可能實現(xiàn)高質(zhì)量單晶石墨烯薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)。
石墨烯于2004年被英國科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)，憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、透光性能以及強度等物理性質(zhì)，石墨烯在眾多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，也迅速成為了世界強國重點發(fā)展的新材料之一。
今年全國“兩會”通過的《“十三五”規(guī)劃綱要》明確提出，要大力發(fā)展石墨烯等納米功能材料；7月底印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出，要發(fā)揮石墨烯等對新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用。
去年9月，國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會發(fā)布《〈中國制造2025〉重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖(2015版)》，提出中國石墨烯產(chǎn)業(yè)總體目標(biāo)是“2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億”。據(jù)中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟今年6月發(fā)布《2016全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》顯示，目前全球石墨烯年產(chǎn)能達(dá)到百噸級，未來5-10年將達(dá)到千噸級。并預(yù)計至2020年，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)將形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，且市場規(guī)模將達(dá)1000億元，其中中國占比將達(dá)50%-80%。
目前國內(nèi)已建成的石墨烯薄膜生產(chǎn)線主要有三條。2013年5月投產(chǎn)的年產(chǎn)量達(dá)3萬平方米的江蘇常州石墨烯薄膜生產(chǎn)線，也是全國首條石墨烯薄膜生產(chǎn)線；2013年10月在重慶開建的石墨烯薄膜生產(chǎn)線已于近期投產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)100萬平方米，成為了全球規(guī)模最大的石墨烯薄膜生產(chǎn)線；2016年7月，國內(nèi)首條石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)線也在江蘇常州建成。
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