Nieuwe zuurstofvrije technologie produceert herhaaldelijk op grote schaal grafeen van hoge kwaliteit

Grafeen wordt wel het ‘wondermateriaal van de 21e eeuw’ genoemd. Sinds de ontdekking in 2004 wordt dit materiaal – een enkele laag koolstofatomen – gepromoot vanwege zijn unieke eigenschappen, waaronder een extreem hoge elektrische geleidbaarheid en opmerkelijke treksterkte. Het heeft het potentieel om elektronica, energieopslag, sensoren, biomedische apparaten en meer te transformeren. Maar grafeen had een vies geheimpje: het is vies.

Nu bereiden ingenieurs van Columbia University en collega's van de Universiteit van Montreal en het National Institute of Standards and Technology zich voor om de boel op te ruimen met behulp van een zuurstofvrije chemische dampdepositie (OF-CVD) -methode die grafeenmonsters van hoge kwaliteit kan creëren in bulk. Hun werk, gepubliceerd op 29 mei natuur, Het laat direct zien hoe sporen van zuurstof de groeisnelheid van grafeen beïnvloeden en identificeert voor het eerst de relatie tussen de kwaliteit van zuurstof en grafeen.

“We hebben aangetoond dat het verwijderen van bijna alle zuurstof uit het groeiproces de sleutel is tot het bereiken van hoogwaardige, reproduceerbare CVD-grafeensynthese”, aldus de hoofdonderzoeker. James HonWang Fongjin is hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia University. “Dit is een mijlpaal in de richting van grootschalige grafeenproductie.”

Historisch gezien is grafeen op twee manieren vervaardigd. daar De “ducttape”-methode., waarbij afzonderlijke lagen worden afgepeld van een groot monster grafiet (hetzelfde materiaal dat je in een potlood aantreft) met behulp van huishoudtape. Deze geëxfolieerde monsters kunnen volledig schoon zijn en vrij van onzuiverheden die de gewenste grafeeneigenschappen kunnen verstoren. Ze zijn echter vaak te klein – slechts enkele tientallen micrometers in doorsnede – om geschikt te zijn voor toepassingen op industriële schaal, en zijn daarom beter geschikt voor laboratoriumonderzoek.

Om van laboratoriumverkenningen naar toepassingen in de echte wereld te gaan, ontwikkelden onderzoekers ongeveer 15 jaar geleden een methode voor de assemblage van grafeen op grote oppervlakken. Dit proces, bekend als CVD-groei, laat een koolstofhoudend gas, zoals methaan, over een koperoppervlak stromen bij een temperatuur die zo hoog is (ongeveer 1000°C) dat het methaan uiteenvalt en de koolstofatomen zich herschikken om een ​​enkele honingraat te vormen. Een gevormde laag grafeen. CVD's kunnen verder worden gekweekt om grafeenmonsters te maken die centimeters of zelfs meters groot zijn. Ondanks jarenlange inspanningen van onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben CVD-monsters echter last gehad van problemen met de reproduceerbaarheid en variabele kwaliteit.

Het probleem was zuurstof. In eerdere publicaties lieten co-auteurs Richard Martel en Pierre Levesque uit Montreal zien dat sporen van zuurstof het groeiproces kunnen vertragen en de groei kunnen vertragen. Graaf zelfs grafeen weg. Ongeveer zes jaar geleden ontwierp en bouwde Christopher DeMarco, GSAS'19, een CVD-groeisysteem waarin de hoeveelheid zuurstof die tijdens het afzettingsproces werd geïntroduceerd zorgvuldig kon worden gecontroleerd.