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中国单晶石墨烯薄膜制备速度提高150倍 有望规模化

导读: 日前,中国科学家通过持续供氧,成功将单晶石墨烯薄膜的制备速度提高了150倍。

  OFweek电子工程网讯:日前,中国科学家通过持续供氧,成功将单晶石墨烯薄膜的制备速度提高了150倍。

  8月8日,国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)在线刊登了中国科学家的论文——《持续供氧可极大提高单晶石墨烯的制备速度》(Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuous oxygen supply)。

  来自中国北京大学、武汉大学、南方科技大学和香港理工大学的科研团队表示,他们在使用化学气相沉积法(CVD)制备单晶石墨烯薄膜时,在催化剂铜箔下方15微米处放置了一个氧化物衬底材料,后者为石墨烯薄膜的合成过程持续供氧,极大降低了碳原料分解的能垒(活化分子含有的能参加化学反应的最低限度的能量),将化学气相沉积法平均低于0.4微米/秒的制备速度提高了150倍至60微米/秒,并成功在5秒内制备出了一片横向尺寸为0.3毫米的单晶石墨烯薄膜,研究人员称,这比以往的制备方法高出了两个多数量级。

  据今年4月国家标准化管理委员会公布的《石墨烯材料的术语、定义及代号》(征求意见稿),将石墨烯定义为由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层;石墨烯薄膜指在一定基体上生长的单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯,且可从生长基体转移到其它基体上。

  石墨烯粉末和石墨烯薄膜目前是石墨烯材料的两种主要形式。前者多掺杂在其他材料中使用,多应用于涂料和锂离子电池领域;石墨烯薄膜则在电子、光子及光电设备领域的应用十分广泛,极具发展前景。

  目前石墨烯材料的几种常见制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、液相剥离法、高温裂解法和插层剥离法六种。其中,液相剥离法和氧化还原法主要用于制备石墨烯粉末,化学气相沉积法则因其操作的简易性和成本效益成为了目前最常见的大尺寸石墨烯薄膜制备方法。化学气相沉积法指的是高温下含碳原子气体在衬底(如金属或非金属等)表面分解并沉积生成石墨烯材料的方法。

  美国《IEEE综览》杂志8月9日报道称,中国科研团队在实验化学气相沉积法时,将氧化物衬底材料置于800摄氏度以上的高温环境中,使其能够持续释放氧气。电子能谱学的测量结果表明,氧化物衬底材料的确释放了氧气。尽管产生的氧气量相当有限,但氧化物衬底材料与铜箔之间的微小空间形成了陷阱效应(在有非平衡载流子时,杂质能级积累某一种非平衡载流子的效应),由此扩大了氧气发挥的效用。

  研究人员认为,如果将这种超速合成的化学气相沉积法与滚动式制造技术相结合,将很有可能实现高质量单晶石墨烯薄膜的规模化生产。

  受此利好消息推动,截至8月11日下午14时,石墨烯概念股板块应声涨超1%,当天成交额为159.72亿。个股方面,中超控股(002471.SZ)涨7.82%、杭电股份(603618.SH)涨6.98%、华丽家族(600503.SH)涨6.96%、方大炭素(600516.SH)涨4.37%、智慧能源(600869.SH)涨4.02%、东旭光电(000413.SZ)涨3.48%、中国宝安(000009.SZ)涨3.13%。次日热度稍降,截至8月12日下午15时,石墨烯概念股板块跌幅0.05%。

  石墨烯于2004年被英国科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现,凭借其优异的导电、导热、透光性能以及强度等物理性质,石墨烯在众多领域具有潜在的应用价值,也迅速成为了世界强国重点发展的新材料之一。

  今年全国“两会”通过的《“十三五”规划纲要》明确提出,要大力发展石墨烯等纳米功能材料;7月底印发的《“十三五”国家科技创新规划》明确提出,要发挥石墨烯等对新材料产业发展的引领作用。

  去年9月,国家制造强国建设战略咨询委员会发布《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图(2015版)》,提出中国石墨烯产业总体目标是“2020年形成百亿产业规模,2025年整体产业规模突破千亿”。据中国石墨烯产业技术创新战略联盟今年6月发布《2016全球石墨烯产业研究报告》显示,目前全球石墨烯年产能达到百吨级,未来5-10年将达到千吨级。并预计至2020年,全球石墨烯产业将形成完整产业链,且市场规模将达1000亿元,其中中国占比将达50%-80%。

  目前国内已建成的石墨烯薄膜生产线主要有三条。2013年5月投产的年产量达3万平方米的江苏常州石墨烯薄膜生产线,也是全国首条石墨烯薄膜生产线;2013年10月在重庆开建的石墨烯薄膜生产线已于近期投产,年产量达100万平方米,成为了全球规模最大的石墨烯薄膜生产线;2016年7月,国内首条石墨烯薄膜连续生产线也在江苏常州建成。

责任编辑:Alvin
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