日前，中國(guó)科學(xué)家通過(guò)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(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)在線刊登了中國(guó)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(lái)自中國(guó)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(duì)表示，他們?cè)谑褂没瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)制備單晶石墨烯薄膜時(shí)，在催化劑銅箔下方15微米處放置了一個(gè)氧化物襯底材料，后者為石墨烯薄膜的合成過(guò)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(chēng)，這比以往的制備方法高出了兩個(gè)多數(shù)量級(jí)。
據(jù)今年4月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)公布的《石墨烯材料的術(shù)語(yǔ)、定義及代號(hào)》(征求意見(jiàn)稿)，將石墨烯定義為由一個(gè)碳原子與周?chē)齻�(gè)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(zhǎng)的單層石墨烯、雙層石墨烯或多層石墨烯，且可從生長(zhǎng)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(jiàn)制備方法有機(jī)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(jiǎn)易性和成本效益成為了目前最常見(jiàn)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(guó)《IEEE綜覽》雜志8月9日?qǐng)?bào)道稱(chēng)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)化學(xué)氣相沉積法時(shí)，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(cè)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(shí)，雜質(zhì)能級(jí)積累某一種非平衡載流子的效應(yīng))，由此擴(kuò)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(dòng)式制造技術(shù)相結(jié)合，將很有可能實(shí)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(guó)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(qiáng)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(jià)值，也迅速成為了世界強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的新材料之一。
今年全國(guó)“兩會(huì)”通過(guò)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(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出，要發(fā)揮石墨烯等對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用。
去年9月，國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)發(fā)布《〈中國(guó)制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖(2015版)》，提出中國(guó)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(guó)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(bào)告》顯示，目前全球石墨烯年產(chǎn)能達(dá)到百?lài)嵓?jí)，未來(lái)5-10年將達(dá)到千噸級(jí)。并預(yù)計(jì)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(chǎng)規(guī)模將達(dá)1000億元，其中中國(guó)占比將達(dá)50%-80%。
目前國(guó)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(wàn)平方米的江蘇常州石墨烯薄膜生產(chǎn)線，也是全國(guó)首條石墨烯薄膜生產(chǎn)線；2013年10月在重慶開(kāi)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(wàn)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(guó)內(nèi)首條石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)線也在江蘇常州建成。
