【重磅】美科学家利用人造金刚石制备出低成本高质量的石墨烯

烯碳资讯 2018-12-05 11:34:23



小烯导读


石墨烯被称为未来材料之星,多年来,研究人员一直致力于将单原子层厚度的石墨烯运用到先进触摸屏,半导体设备,长寿命电池和下一代太阳能电池中的研究。但是石墨烯自身的独特性能——超高的导电率,导热率和出色的电子迁移率等,只有在其没有缺陷破坏蜂窝状碳骨架前提下才会具备。


科学家在展示制备出的石墨烯

石墨烯被称为未来材料之星,多年来,研究人员一直致力于将单原子层厚度的石墨烯运用到先进触摸屏,半导体设备,长寿命电池和下一代太阳能电池中的研究。但是石墨烯自身的独特性能——超高的导电率,导热率和出色的电子迁移率等,只有在其没有缺陷破坏蜂窝状碳骨架前提下才会具备。


                       

来自美国能源部(DOE)阿贡国家实验室纳米材料中心(CNM)和材料科学部的材料科学家Anirudha Sumant与美国加利福尼亚大学河滨分校的研究人员共同合作发现了一种可以低成本,高纯度制备高质量石墨烯的方法,与现有的方法相对,这种方法的制备时间短,并且可以在较低的温度下进行(图2)。阿贡实验室的纳米科学家Subramanian Sankaranarayanan协助研究人员进行石墨烯生长原子水平上的理论探究。

 

这项技术需要用到一种由阿贡实验室的研究人员人工合成的超纳米结晶金刚石作为物理基底,在这种金刚石表面上,碳原子能够迅速的组装成石墨烯片层。

研究人员表示,通过扫描电镜观察可以发现,与以往的其他技术相比,这种方法生长的石墨烯表面更加平整光滑。

 

目前,研究人员在将石墨烯从基底转移的过程中,会在刻蚀基底的时候引入酸和聚合物等杂质,这会严重影响石墨烯的电学性能,将无法获得石墨烯最原始的独特性能。

 

而该团队能够制备微米尺寸的自支撑单层高结晶的石墨烯,将这种自支撑的高质量石墨烯运用到电子设备中,可以对石墨烯的最原始性能进行更一步的探究。

 

与使用碳化硅基底相比,这种使用金刚石的制备工艺更加低成本,高效率,在不到一分钟的时间内就可以生长出单片层石墨烯,而传统方法则需要数小时。

 

加州大学河滨分校的Zhong Yan和Alexander Balandin使用这种材料制备了顶栅场效应晶体管,通过测试其电子迁移率和载流子浓度证实这种方法制备的石墨烯具有较高的质量。



研究人员Sumant借助镍可以在高温下溶解金刚石的技术,利用镍将金刚石的顶层转化成无定型碳,这些自由碳原子便迅速结合成了高质量的石墨烯(图3)。



研究人员Sankaranarayanan通过计算机分子动力学模拟帮助团队更好的理解石墨烯的生长原理,模拟显示镍的(111)晶面某个晶向具有较高的成核现象,随后石墨烯进行快速的生长。镍原子扩散到金刚石结构内,会使其晶格序列遭到破坏,形成无定型状态,而其中的碳原子就会迁移到镍的表面,迅速的组成蜂窝状结构,形成少缺陷的高质量石墨烯。而镍会继续下沉,渗透到金刚石内部,不需要使用酸来溶解在清楚表面额外的金属原子(如图4, 5)。


研究人员表示,阿贡实验室已经申请了三项关于这种新的石墨烯生长技术的专利,而实验室正在进一步探究这种制备高质量石墨烯的生长条件。

相关的文章"Metal-induced rapid transformation ofdiamond into single and multilayer graphene on wafer scale"已经发表在《Nature Communications》杂志上。


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