美国合作开发出大型单晶石墨烯,可以促进石墨烯的研究和商业化

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美国合作开发出大型单晶石墨烯,可以促进石墨烯的研究和商业化

由能源部橡树岭国家实验室领导的团队,包括田纳西大学,莱斯大学和新墨西哥州立大学的科学家,已开发出一种新方法来生产大型单层单晶石墨烯薄膜,而不仅仅是英尺。这种新技术可以为生产无限尺寸的高质量石墨烯提供新的机会,并且适合于卷对卷生产。

生长大型单晶石墨烯的方法可以提高可缩放的2D材料图像

ORNL团队使用了CVD方法 - 但有一个转折点。他们在这项工作中解释了CVD工艺的局部控制如何在最佳条件下进行演化或自选,从而产生大的单晶状石墨烯片。“大型单晶更具机械强度,可能具有更高的导电性,”ORNL主要合着者Ivan Vlassiouk说。“这是因为消除了多晶石墨烯中各个畴之间相互连接所产生的缺陷”。“我们的方法不仅可以成为改善单晶石墨烯大规模生产的关键,也可以是其他二维材料的关键,这对于大规模应用是必要的,”他补充说。

与传统的CVD方法类似,研究人员将碳氢化合物前体分子的气态混合物喷射到金属多晶箔上。然而,他们小心地控制了烃分子的局部沉积,将它们直接带到新出现的石墨烯薄膜的边缘。随着衬底在下面移动,碳原子连续组装成石墨烯的单晶,长度达到一英尺。“无阻碍的单晶状石墨烯生长几乎可以连续进行,如卷对卷,超出这里展示的足长样本,”该团队表示。

当碳氢化合物接触热催化剂箔时,它们形成碳原子簇,其随时间生长成更大的区域,直到聚结以覆盖整个基板。该团队之前发现,在足够高的温度下,石墨烯的碳原子与基板的原子不相关或反映,从而允许非外延晶体生长。

由于气体混合物的浓度强烈地影响单晶生长的速度,因此在单个石墨烯晶体的现有边缘附近供应烃前体可以比形成新的簇更有效地促进其生长。

“在这样一个受控制的环境中,石墨烯晶体的增长最快的方向压倒了其他晶体,即使在多晶衬底上,也可以'进化选择'成单晶,而不必匹配衬底的取向,这通常发生在标准的外延生长中,“研究人员说。

他们发现,为了确保最佳增长,有必要创造一种有助于消除群集形成的“风”。“我们必须创造一个环境,在这个环境中,在增长前沿之前形成新的集群被完全压制,并且不会阻碍大型石墨烯晶体生长边缘的扩大”。“然后,只有这样,当衬底移动时,没有什么能阻挡'最适合'的晶体生长。”

由合着者赖斯大学教授鲍里斯·雅科布森领导的团队理论家提供了一个模型,解释了哪些晶体取向具有使其在生存中最适合的独特性质,以及为什么获胜者的选择可能取决于底物和前体。

“如果石墨烯或任何2D材料进入工业规模,这种方法将是关键的,类似于Czochralski的硅方法。”Yakobson说。“制造商可以放心,当为任何器件制造切割大的晶圆尺寸原始层时,每个产生的部件都将是高质量的单晶。这种潜在的巨大的,有影响力的角色促使我们探索尽可能清晰的理论原则。“

使用团队方法实际扩大石墨烯仍有待观察,但研究人员认为,他们的进化选择单晶生长方法也可以应用于有前途的替代2D材料,如氮化硼和二硫化钼。


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