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Sci Bull封面文章:米量级单晶石墨烯工业化制备成为可能

Science China Press

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IMAGE: 工业铜箔上外延生长单晶石墨烯薄膜的流程示意图。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

石墨烯是由碳原子构成的具有二维蜂窝状结构的单原子层晶体材料。石墨烯具有狄拉克锥形的能带结构,其载流子在狄拉克点附近具有线性的能量色散关系,是一种无质量的狄拉克费米子。2004年英国的Geim和Novoselov等人发现,石墨烯不仅可以稳定地存在于衬底上,而且表现出非常优越的物理性质,包括:(1) 具有非常高的载流子迁移率,实验上已经获得的数据高达350,000 cm2 V–1 s–1,远高于硅的迁移率(~1400 cm2 V–1 s–1);(2) 具有非常高的透光率,单层石墨烯的透光率可以达到97%;(3) 具有非常好的机械性能,杨氏模量高达1 TPa;(4) 具有优异的导热性能,室温下单层悬空石墨烯的导热率达到5000 W/mK,比传统的金属材料高一个数量级。总之,作为目前发现的厚度最薄、强度最高、导电导热性能最好的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”。科学家甚至预言石墨烯极有可能将“彻底改变21世纪”,掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

“制备决定未来”,自石墨烯被发现以来,高品质石墨烯制备技术一直是石墨烯研究和应用的核心制约因素,尤其是大面积的石墨烯单晶薄膜制备被认为是实现石墨烯高端应用的关键问题之一。利用化学气相沉积法在Cu和Ni上实现石墨烯的可控生长为石墨烯产业化进程带来了希望的曙光。研究人员发现,在多晶Cu箔上可以实现大面积、连续单层、高质量石墨烯的生长。这种相对简单、成本低廉的可控制备方式迅速被广泛采用,实现了工业化大尺寸石墨烯薄膜的制备。但是,迄今为止,制备出的大面积石墨烯薄膜通常是多晶薄膜,而多晶晶畴之间的拼接所形成大量的晶界缺陷会严重破坏石墨烯薄膜的电学、力学、热学和光学性质。因此,要真正将石墨烯应用于高、精、尖领域,制造未来电子芯片器件与系统,大尺寸的石墨烯单晶的制备是一个必须要攻克的科学难题。

最近,北京大学刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士、韩国蔚山科技研究所丁峰教授及其合作者,发展了一种新的制备技术,成功实现了大尺寸石墨烯单晶的制备(Science Bulletin 2017, 62, 1074)。该研究团队首先发展出了一种氧辅助生长的石墨烯超快生长技术(Nature Nanotechnology 2016, 11, 930),把石墨烯单畴的生长速率提高到60 μm/s。在此工作的基础上,他们又发展了一种基于温度梯度驱动晶界运动的技术,成功地把工业级多晶铜箔转化成为单晶Cu(111)。利用单晶Cu(111)作为石墨烯生长的基底,他们实现了石墨烯的外延生长和无缝拼接,完成了在短时间内制备5 × 50 cm2的石墨烯单晶薄膜的突破,创造了石墨烯单晶尺寸的世界纪录。该快速制备方法具备成本低廉和工业生产兼容等优点,为石墨烯单晶的大规模工业生产铺平了道路。

该项目得到中国国家重点研发计划、自然科学基金会、中组部青年千人计划、博士后创新人才支持计划等提供的支持。

更多详情请阅原文:

Xiaozhi Xu, Zhihong Zhang, Jichen Dong, Ding Yi, Jingjing Niu, Muhong Wu, Li Lin, Rongkang Yin, Mingqiang Li, Jingyuan Zhou, Shaoxin Wang, Junliang Sun, Xiaojie Duan, Peng Gao, Ying Jiang, Xiaosong Wu, Hailin Peng, Rodney S. Ruoff, Zhongfan Liu, Dapeng Yu, Enge Wang, Feng Ding, Kaihui Liu, Ultrafast Epitaxial Growth of Metre-Sized Single-Crystal Graphene on Industrial Cu Foil, Science Bulletin, 2017, 62(15):1074-1080 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731730350X

Xiaozhi Xu, Zhihong Zhang, Lu Qiu, Jianing Zhuang, Liang Zhang, Huan Wang, Chongnan Liao, Huading Song, Ruixi Qiao, Peng Gao, Zonghai Hu, Lei Liao, Zhimin Liao, Dapeng Yu, Enge Wang, Feng Ding, Hailin Peng, Kaihui Liu. Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuous oxygen supply. Nature Nanotechnology 2016, 11, 930-935 http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n11/full/nnano.2016.132.html

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