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美国开发出一种使用超纳米晶金刚石制备石墨烯的方法

2016-10-28 230浏览 标签: 美国石墨烯

动态背景

石墨烯是碳纳米材料中的明星产品,这种二维纳米材料具有优异的力学,热学和电学性质。科学家们多年之前就曾预言这种只有一层原子厚的纯碳材料将会在未来对触摸屏,半导体,长效电池和下一代太阳能电池产生巨大影响。然而石墨烯的独特性质却只能在生长中不出现缺陷的情况下才能保持,这就是高质量石墨烯成本高昂的原因之一。近日阿贡国家实验室的一项研究有望为高质量石墨烯的成本降低提供一些帮助。

 

研究内容

根据美国阿贡国家实验室2016916日讯,该实验室同美国加州大学河滨分校合作,开发了一种生长石墨烯的方法,该方法生长的石墨烯缺陷极少,成本更低,耗时更少,并且相比于当下广泛使用的石墨烯制备方法,其操作温度较低。阿贡的此项技术已经获得了三项专利。

这项技术利用了超纳米晶金刚石(ultrananocrystalline diamondUNCD),这是阿贡国家实验室的通过数年的研究合成出的一种金刚石。UNCD在石墨烯的合成过程中充当物理基质,石墨烯在其表面生长,并且作为快速生长石墨烯片层的碳源。他们用镍将金刚石的顶层转变为无定形碳,而这些自由碳很快又转变为高质量石墨烯。研究人员通过使用该方法得到的石墨烯制备场效应晶体管并测试其电子迁移率和电荷密度确认了所得石墨烯具有极高的质量。

当前的高质量石墨烯制备方法,例如外延法,会在蚀刻过程中引入杂质,因为该过程中把石墨烯转移到另一个基质上的时候需要添加酸以及额外的聚合物。在蚀刻和转移步骤中引入的杂质会影响石墨烯的电子性能。

研究人员发现单层石墨烯可以在微米级的孔洞上横向生长,使得其完全与基质脱离。这样就有可能在不依靠支撑物的石墨烯上直接制备器件,使其拥有石墨烯的本征性质。

这一新的处理过程相比于传统的以碳化硅作为模板的过程更加廉价,研究人员表示,生产石墨烯使用的3-4英寸的碳化硅晶圆其成本约为1200美元,而该方法中硅晶圆上的UNCD膜仅仅花费不到500美元。

这种在UNCD上生长石墨烯的工艺可以用不到一分钟的时间生长出一片石墨烯,而传统方法的生长时间要按小时来计算。

研究人员通过大规模模拟发现,该反应的机理是镍原子扩散到金刚石中并且破坏了其晶级,同时碳原子从无定形固体中移动到镍表面并快速形成了蜂窝状结构,产生了无缺陷石墨烯。随后镍从UNCD的晶粒中渗出,自然分离无需用酸去溶解多余的金属原子。

 

动态意义

        该研究是对石墨烯的外延生长法的一种改进,使得其成本更低,产率更高,产品质量更高。该方法得到的产品可以用于低频振动传感器,射频晶体管,以及制备更好的水净化电极,此外在宇宙探索和生物传感方面也有应用。


动态链接:http://www.anl.gov/articles/diamond-proves-useful-material-growing-graphene



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