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  • 《自然》:大规模生产低成本石墨烯已成可能

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-04-05
    作者:红梅集资料来源:科学时报发布时间:2009年

    《自然》:大规模生产低成本石墨烯是可能的

    照片显示了韩国科学家制备的最新石墨烯薄膜。这项工作使得大规模生产低成本柔性石墨烯电子产品成为可能。

    自从石墨烯在2004年被发现以来,相关的研究和新闻并没有停止。

    石墨烯应用广泛,从柔性电子产品到智能服装,从可折叠显示器到有机太阳能电池,甚至未来的太空升降机都可以使用石墨烯作为原材料。

    2008年8月,美国科学家证实石墨烯是世界上最强的材料。

    然而,到目前为止,如何制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜仍然是一个有待解决的难题。

    据最近《纽约时报》报道,韩国科学家在制备大规模高质量石墨烯薄膜方面取得了重大突破。

    韩国研究人员最近发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。石墨烯薄膜不仅具有高硬度和高拉伸强度,而且具有现有材料中最好的电学性能。这些单原子厚碳片是非常有前途的材料,可用于制造平板显示器所需的柔性超薄电极和晶体管。此外,石墨烯还可用于制造可折叠有机发光二极管显示器和有机太阳能电池。

    据悉,由韩国宋庆群大学和三星高级技术研究所的研究人员制备的最新石墨烯薄膜厚度为1厘米,透光率为80%。在弯曲或拉伸过程中,它不会断裂,其电气特性也不会改变。

    迄今为止,其他科学家已经用更简单的方法制备了尺寸过大的石墨烯薄膜,但是这些新制备的薄膜的电导率是它们的30倍。此外,这些膜可以容易地转移到不同的基底上。"我们已经证明石墨烯是最好的电子材料之一,具有高拉伸强度和透明性."领导这项工作的韩国科学家裴熙红教授说。他们的成就于1月14日发表在英国杂志《自然》的网络版上。

    石墨烯是一种优秀的导体。它的电子传输速度比硅快几十倍。在显示器、有机太阳能电池和触摸屏的生产中,可以替代传统的易碎氧化铟锡电极。石墨烯晶体管也可以取代硅薄膜晶体管,硅薄膜晶体管不仅不透明,而且很难在塑料上生长。

    制造高质量石墨烯微芯片的最简单方法是从石墨上剥离石墨烯层。石墨由许多层石墨烯组成。2008年,由美国罗格斯大学材料科学与工程教授马尼什乔瓦拉(Manish Chhowalla)领导的研究团队设计了一种在实际应用中制备厘米级石墨烯薄膜的方法。这些研究人员将氧化石墨熔化到水中,生成独立的氧化石墨烯片,这些氧化石墨烯片沉积在柔性衬底上。

    与他们不同,韩国研究人员使用了一种叫做化学气相沉积的方法。首先,他们在硅衬底上添加了一层300纳米厚的镍。然后他们将这种物质在甲烷中加热到1000摄氏度,然后迅速降低到室内温度。这个过程可以在镍层上沉积6或10层石墨烯。通过制作镍层图案,研究人员可以制作图案化石墨烯薄膜。

    此外,美国麻省理工学院电子工程系的孔敬教授也在研究用类似的方法制备石墨烯片。然而,韩国研究人员在他们的工作中更进了一步。他们将这些薄膜转移到柔性基底上,而不损害薄膜的质量。这种转移可以通过以下两种方法实现:首先,用溶剂腐蚀镍,使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面,然后将石墨烯转移到任何需要的基底上;另一种更简单的方法是通过橡皮图章技术转移胶片。

    哥伦比亚大学物理学教授菲利普金是这篇新论文的作者之一。他说,化学气相沉积是制备大尺寸和高质量石墨烯的最经济的方法之一,它可以与现有的半导体制造工艺兼容。现在,研究人员已经能够制作4英寸厚的床单。然而,秉熙弘表示,他们可以轻松升级规模。

    与科学家以前在这一领域取得的成就相比,新石墨烯薄膜的缺陷更少。秉熙红认为,这就是为什么它们的薄膜电导率增加了30倍,迁移率增加了20倍。“这些薄膜的导电性足以满足小型液晶显示器和触摸显示器的一些入门级应用。”加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授杨洋(Yang Yang)表示:“如果有机太阳能电池和有机发光二极管产品要取代氧化铟锡,其电导率需要提高10倍。”

    除了石墨烯,许多其他材料也被认为能够制造透明和灵活的电子产品。碳纳米管是强有力的竞争者之一。例如,研究人员在制造柔性纳米管半导体器件方面取得了进展。Unidym宣布,其显示器将很快上市,使用碳纳米管涂层塑料薄膜代替ITO涂层。

    其他研究人员正在使用氧化铟涂层或氧化锌和氧化铟纳米线来制造柔性和透光的半导体器件。同时,密歇根大学的研究人员也使用非常细的金属线网格来制造透明的半导体器件。

    石墨烯具有优越的强度和高迁移率(估计是纳米管的两倍)。莱斯大学石墨烯研究员陶禾(Tao He)表示,新薄膜的导电性和流动性令人印象深刻。“我没有看到任何类似或可比的工作,”他说,并补充说,这项工作使大规模低成本生产柔性石墨烯电子产品成为可能。

    《科学时报》 (2009-1-22 A2工程技术)

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