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科学贵在坚持，科技引领未来 | 研究人员使用一氧化碳合成了高质量石墨烯

时间：2022-04-11 10:39:58 来源：94 点击：94次

李梅纶材料与器件检测技术中心 2022-04-19 10:22

材料的革新是推动全人类文明发展的最重要因素之一。从古至今，一种种新材料的发现及广泛应用往往是人类发展史上的里程碑。近代以来，当硅材料作为半导体被大量应用时，电子工业便蓬勃发展起来。石墨烯和纳米碳管等新材料是近些年材料学家研究的重点材料。

一项新技术和成果的出现，离不开科研人员多年的研究与坚持，面对失败永不言弃的精神。”科学的永恒性就在于坚持不懈地寻求之中，科学就其容量而言，是不枯竭的，就其目标而言，是永远不可企及的。“

近期，一个包括来自Skoltech、MIPT、RAS固体物理研究所和阿尔托大学研究人员的国际团队，提出了一种利用一氧化碳作为碳源的独特石墨烯合成技术。相关研究成果以“High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction”为题发表在Advanced Science 上。

该技术被认为是一种快速且廉价的方法，可以用相对简单的设备生产高质量的石墨烯，用于电子电路、气体传感器、光学等领域。

化学气相沉积(CVD)是合成石墨烯最标准的技术之一，通常是将碳原子从气体分子中分离出来，并在真空室中作为单层沉积在基底上。一种流行的基材是铜，使用的气体总是碳氢化合物：甲烷、丙烷、乙炔、乙醇等。

图1. 一氧化碳化学气相沉积(CVD)合成石墨烯

“从一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了，因为这种气体是生长单壁碳纳米管最方便的碳源之一。我们有近20年与一氧化碳有关的工作经验。然而，我们的第一次石墨烯实验并不成功，我们花了很长时间来理解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于它的完全催化分解，这使我们即使在环境压力下也能实现单层石墨烯大晶体的自限合成，”这项研究的首席研究员，Skoltech教授Albert Nasibulin说。

“这个项目是基础研究如何使应用技术受益的杰出例子之一。由于对理论和实验验证的石墨烯形成和生长的深层动力学机制的理解，因此使形成大石墨烯晶体的优化条件变得可行，”该论文的合作者Skoltech 的高级研究科学家 Dmitry Krasnikov 强调。

这种新方法得益于所谓的自限原理。在高温下，一氧化碳分子靠近铜基板时，容易分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一层结晶碳沉积下来，气体与基体分离，这种趋势就会减弱，所以这个过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以一种自我限制的方式运行，但程度较轻。

图2. 石墨烯成核过程中的化学反应方案（根据所考虑的模型）。ZCO、ZCO2、ZC、ZO分别对应CO、CO2、C、O的吸附形式；Z2——C2二聚体的吸附形式，Zx——大于两个碳原子的石墨烯核；用海军蓝和绿色表示的表面反应（为了简单起见，有些过程是反向的）；而吸附/解吸过程用红色表示。

“我们使用的系统有很多优点：得到的石墨烯更纯净，生长更快，形成更好的晶体。此外，这种调整通过将氢气和其他爆炸性气体完全排除在生产过程中，从而防止了氢气和其他爆炸性气体引起的事故，”该研究的第一作者、Skoltech 实习生 Artem Grebenko 说。

这种方法排除了燃烧风险，这意味着不需要真空。该仪器在标准压力下工作，比传统的CVD设备简单得多。反过来，简化的设计可以加快综合速度。Grebenko说：“从取出一块裸露的铜到取出石墨烯只需要30分钟。”

由于不再需要真空，设备不仅工作更快，而且更便宜。研究人员强调说：“一旦你放弃使用制造超高真空的高端硬件，你就可以花不到1000美元组装我们的‘车库解决方案’。”

该研究的合著者Boris Gorshunov是麻省理工学院的教授，他强调了这种材料的高质量：“无论何时提出一种新的石墨烯合成技术，研究人员都必须证明它生产了他们声称的东西。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的石墨烯确实是高级石墨烯，可以与其他气体CVD生产的材料相媲美。最终得到的材料是结晶的、纯净的，而且面积足够大，可以用于电子产品。”

图3. 石墨烯-铜体系的结构

除了石墨烯本身的标准应用之外，使用与铜基板结合的石墨烯还有一些有趣的可能性——无需清除金属。与甲烷相比，一氧化碳对金属的附着能非常高。这意味着，随着沉积的发生，石墨烯既可以保护铜层免受化学反应的影响，又可以赋予其结构，从而形成具有良好催化性能的高度发达的金属表面。其他一些金属，如钌和钯，也将在这种情况下发挥作用，为具有不寻常表面的新型材料开辟道路。

文献信息：

High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction

Advanced Science

https://doi.org/10.1002/advs.202200217

科学贵在坚持，科技引领未来 | 研究人员使用一氧化碳合成了高质量石墨烯

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