加州理工大學(xué)發(fā)明了一種新的在室溫下制造石墨烯的技術(shù)，這將為可商業(yè)化的石墨烯基太陽能電池，石墨烯基二極管，大型平板顯示屏以及柔性電子設(shè)備鋪平道路。
“使用這種新科技，我們可以在更低的溫度，更短的時(shí)間里生長(zhǎng)出電子級(jí)別的石墨烯。”加州理工的科學(xué)家，發(fā)明這種方法的David Boyd如是說到。
Boyd是本篇發(fā)表在《自然.通信》上的文章的第一作者，本文講述了新的石墨烯制造過程以及產(chǎn)品的優(yōu)秀性能。
石墨烯以獨(dú)特的性能可以在非常廣闊的科學(xué)與工程領(lǐng)域引發(fā)革命，這包括比鋼鐵強(qiáng)兩百倍的拉應(yīng)力強(qiáng)度以及比硅要好兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)的電子移動(dòng)性。電子移動(dòng)性測(cè)量的是電子穿越該材料表面的能力。
但是，要在工業(yè)尺度上達(dá)到這種性能是被證明非常復(fù)雜的。原有的電子加工石墨烯技術(shù)要求非常高的溫度---1000攝氏度。并且高溫下的石墨烯傾向于生長(zhǎng)成大的，無法控制其分布的內(nèi)應(yīng)力，這相當(dāng)于是一種破壞性的變形，將會(huì)嚴(yán)重影響到它的本征性能。
“之前，人們只能一次生成幾平方毫米的高電子流動(dòng)性的石墨烯，并且將要經(jīng)過非常復(fù)雜的步驟，需要很多時(shí)間，要求很高的溫度。“加州理工的物理學(xué)教授 Nai-Chang Ygh，也是科維理納米科學(xué)研究所的弗萊徹·瓊斯基金會(huì)聯(lián)席董事，這篇文章的共同作者寫道：“我們的方法可以持續(xù)的生產(chǎn)高流動(dòng)性石墨烯，并且?guī)缀醪粫?huì)形成應(yīng)力，這是一種一步到位，不需要高溫，只需要幾分鐘的高效方法。。我們可以制造幾個(gè)平方厘米大小的樣品，并且因?yàn)槲覀兊姆椒ㄊ强缮炜s的，我們相信我們可以在更大的尺度上（幾平方英寸）制造樣品，這將為實(shí)現(xiàn)大尺寸應(yīng)用鋪平道路。”
新的制造工藝并不會(huì)被發(fā)現(xiàn)如果不是因?yàn)橐幌盗行疫\(yùn)的事件。2012年，Boyd當(dāng)時(shí)在之后成為David Goodwin的實(shí)驗(yàn)室中工作，那是一位加州理工的機(jī)械工程以及應(yīng)用物理的教授，正在試圖重現(xiàn)他在一篇文章上讀到的石墨烯制造工藝。在這個(gè)過程中，加熱的銅悲痛來催化石墨烯的生長(zhǎng)。”那時(shí)正是午餐時(shí)間，“現(xiàn)在在Yeh的實(shí)驗(yàn)室工作的Boyd說道：”但是那個(gè)配方并沒有奏效。看起來那是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的工藝。我比原實(shí)驗(yàn)擁有更好的設(shè)備，所以對(duì)我來說，這應(yīng)該更加簡(jiǎn)單。“
在一次他重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的嘗試中，手機(jī)響了。Boyd接電話的時(shí)候，他無意間讓銅箔加熱了更長(zhǎng)的時(shí)間，之后才將他暴露在甲烷氣體中，甲烷氣體將會(huì)提供石墨烯生長(zhǎng)需要的碳原子。
之后Boyd使用Raman光譜，一種用來探測(cè)以及辨別石墨烯的技術(shù)，來檢查銅板時(shí)，他發(fā)現(xiàn)石墨烯層形成了。”這對(duì)我來說醍醐灌頂，“Boyd說到。”我發(fā)現(xiàn)石墨烯生成的奧秘就在于沒有氧化銅的非常潔凈的表面。“
Boyd回憶到，他當(dāng)時(shí)就想到了Robert Millikan，加州理工1921到1945年的校長(zhǎng)以及諾貝爾獲獎(jiǎng)物理學(xué)家，當(dāng)他開展他1916年非常著名的測(cè)量普朗克常量時(shí)的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，也需要努力去除氧化銅，這對(duì)測(cè)量一個(gè)光子的能量非常重要，Boyd想他是否像Millikan一樣可以找到一種在真空條件下清潔銅的方法。
Boyd著懂啊的解決方法是使用一種在60年代發(fā)明的系統(tǒng)來生成氫等離子流，也就是將電子從質(zhì)子分開的氫氣流，來在很低的溫度下移除氧化銅。他第一次實(shí)驗(yàn)就顯示，這種方法不僅可以移除氧化銅，同時(shí)也可以同時(shí)生產(chǎn)出石墨烯。
一開始，Boyd并不能找出這項(xiàng)技術(shù)這么成功的原因。他之后發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)漏的閥門讓一些甲烷進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。”閥門正好讓可以使石墨烯生長(zhǎng)的甲烷進(jìn)入了。“
這種可以不用加熱就可以生產(chǎn)石墨烯的方式不僅可以減少生產(chǎn)成本，也可以產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，因?yàn)椴粫?huì)因?yàn)闊崦浝淇s而引入更多的缺陷。這同時(shí)也消除了一些后期步驟。”一般的來說，原有的高溫生長(zhǎng)技術(shù)會(huì)用到9到10步，以及10個(gè)小時(shí)來生成一批高電子流動(dòng)性石墨烯。”Yeh說道：“我們的方法只有一步，并且只用5分鐘。”
Yeh的研究小組和他的國(guó)外同事最近發(fā)現(xiàn)了用新方法制造出的石墨烯比傳統(tǒng)方式制造的石墨烯質(zhì)量要好。更少的缺陷提供了更強(qiáng)的強(qiáng)度，并且在合成石墨烯中有最好的電子流動(dòng)性。
研究小組覺得他們的技術(shù)這么有效率的原因是因?yàn)榈入x子氫與反應(yīng)室中的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了氰基自由基，被電子聯(lián)結(jié)起來的碳氮分子。就像很小的超強(qiáng)清潔劑一樣，他們很有效率的將銅表面的缺陷擦除，并提供一個(gè)供石墨烯生長(zhǎng)的初始表面。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯會(huì)以一種特殊的方式生長(zhǎng)。用傳統(tǒng)方式生成的石墨烯將以隨機(jī)方式沉積。但是用等離子技術(shù)生成的石墨烯更加有序一些。石墨烯先沉積成線之后再成長(zhǎng)成無縫的石墨烯片層，這可以增強(qiáng)他們的機(jī)械以及電性能。
一種更大尺寸上的等離子技術(shù)可以打開新的電子制造方法的大門，Yeh說到。舉例來說，比較完美的石墨烯片層可以用作防止材料分解的保護(hù)材料。另一種可能性就是比較大的石墨烯可以用來做太能能電池以及顯示器的透明電極。“在未來，你可以擁有石墨烯的電話屏幕，并且由他自己提供能源。” Yeh說到。
另一種可能性，她說到，是可以將缺陷倒入石墨烯片層結(jié)構(gòu)中去創(chuàng)造特別的力學(xué)以及電學(xué)特性。“如果你可以在納米尺度下設(shè)計(jì)出形變的石墨烯，你就可以設(shè)計(jì)他的性質(zhì)。但是你必須先要有一個(gè)很完美的石墨烯層。”Yeh表示：“你不能從無法控制的缺陷里設(shè)計(jì)出可以控制的性能。”