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质的飞跃!米级单晶石墨烯在铜基底上的超快生长技术取得突破!

近日,北京大学刘开辉教授与韩国基础科学研究院的丁峰教授、Rodney Ruoff教授合作,报道了大尺寸单层单晶石墨烯的合成的最新研究成果。这项最新技术实现了石墨烯的飞跃!可以在仅仅20分钟内制造几乎完美(> 99.9%对齐)的5×50 cm2的单晶石墨烯薄膜。该研究成果发表在了近期的《Science Bulletin》杂志上。该技术有望大大促进石墨烯柔性薄膜相关的应用。


由于其超强的导电性、强度和柔韧性,石墨烯被认为是硅和其他材料最有可能的替代品之一。然而,它还没有实现工业化的产生和应用。目前只能以数毫米至数厘米的尺寸生产高品质的单晶石墨烯。

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使用新技术,科学家在箔的锥形端获得单晶铜Cu(111)晶核,其在数分钟(b)中逐渐扩展到整个铜箔。 该单晶铜箔用作基板以在其表面上生长石墨烯。 石墨烯结晶的过程开始于石墨烯晶体的小六角岛,其长大以覆盖整个表面(c,从左到右)。 


近日,韩国基础科学研究院的丁峰教授和Rodney Ruoff教授与北京大学刘开辉教授合作,报道了大尺寸单层单晶石墨烯的合成的最新研究成果。这项最新技术实现了石墨烯的飞跃!可以在仅仅20分钟内制造几乎完美(> 99.9%对齐)的5×50cm2的单晶石墨烯薄膜。此外,与其它商业化生产的低品质多晶石墨烯薄膜相比,该技术的低生产成本可以扩大其应用。该研究成果发表在了近期的《Science Bulletin》杂志上。该技术有望大大促进石墨烯柔性薄膜相关的应用。


单晶石墨烯是由碳原子构成的蜂窝状单层,整个材料性质均匀一致。但是多晶石墨烯由随机取向的石墨烯岛形成,降低了其质量。目前,科学家们能够生长米尺寸的多晶石墨烯和较小的单晶石墨烯,范围从毫米到厘米级。以低成本合成大型单晶石墨烯是石墨烯合成的关键问题。在本研究中,石墨烯生长在5×50cm2铜箔的表面上,其通过加热至1,030°而转变成单晶铜箔。从热到冷的温度斜率将所谓的晶界向下移动,形成完美的单晶。在加热和冷却处理中,铜原子在材料内迁移,排列成具有较少缺陷的有序结构。“获得大尺寸单晶石墨烯的秘诀是以完美的单晶铜为起点,大型单晶铜箔不是商业上可行的,所以实验室必须用自己的方法”多维碳材料中心负责人丁峰教授解释说。


为了优化技术,该团队必须考虑四个技术挑战:

(i)在非常大的区域制备单晶铜箔;

(ii)在其成核和生长后获得石墨烯岛的取向高度一致 ;

(iii)通过进一步生长将石墨烯岛无缝拼接成单晶,;

(iv)单晶石墨烯的快速生长。 


虽然之前的相关研究已经解决了上述一些挑战,但是这项研究克服了所有这些挑战,并且使得尺寸单晶石墨烯的合成成为可能。 不对称石墨烯岛的比例小于0.1%,相当于微不足道的产品缺陷和晶界。

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生长石墨烯的铜箔与IPHONE的尺寸对比


目前的结果单晶石墨烯的制备仅受铜箔的尺寸限制,原则上铜箔和石墨烯薄膜的尺寸都可以是无限的。此外,考虑到石墨烯合成(20分钟)非常短的时间和相对低成本的实验装置,单晶(或近似单晶)石墨烯的价格可能接近当前多晶石墨烯薄膜的价格。丁峰教授说:“许多科学家的梦想就是取代硅。”“现在,我们正在探索哪一种是最好的材料,以及如何使用铜作为其他有趣的2-D材料的基材。”


中关村石墨烯产业联盟将于7月29-30日举办“石墨烯 智能”系列专题研讨会,本期研讨会将以石墨烯在智能领域应用为重点探讨对象,全面剖析从技术研发到产业化过程中存在的问题、瓶颈及解决途径!

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