除氧可提高大規模生產石墨烯質量

科技日報訊 （記者張佳欣）石墨烯被稱為“21世紀的神奇材料”。自2004年發現以來，這種單層碳原子材料一直因其眾多獨特性能而備受推崇。但目前大量生產的石墨烯有個缺點：質量不高。現在，美國哥倫比亞大學和加拿大蒙特利爾大學聯合研究團隊開發出一種新方法，利用無氧化學氣相沉積（OF-CVD）法來凈化石墨烯，從而大規模生產高質量石墨烯。相關論文發表在29日的《自然》雜志上。

這項研究展示了微量氧如何影響石墨烯的生長速度，并首次確定了氧氣和石墨烯質量之間的聯系。實驗顯示，要利用化學氣相沉積（CVD）法合成高質量石墨烯，在生長過程中消除氧氣是關鍵。這一發現或是邁向大規模生產石墨烯的一個里程碑。

制造石墨烯的方法有兩種，其中之一是“透明膠帶法”。利用家用膠帶從石墨上“撕”出不同的層。這種方法剝離的石墨烯非常干凈，不含影響其性能的雜質，但只有幾十微米寬，只適合實驗室研究，不適合工業規模生產。

為了探索石墨烯生產如何從實驗室轉向現實應用，研究人員在大約15年前開發了一種合成大面積石墨烯的方法，這一過程稱為化學氣相沉積（CVD）生長法。在足夠高的溫度（約1000℃）下，讓含碳氣體（如甲烷）通過銅表面，使甲烷分解，碳原子重新排列，形成單一的蜂窩狀石墨烯層。CVD生長法可以擴大規模，制造幾厘米甚至幾米大的石墨烯樣品。然而，CVD生長法合成的樣品質量卻存在一致性欠佳、穩定性不足等問題。

此次，研究團隊發現，每當消除微量氧時，石墨烯的生長速度會快得多。進一步分析后，他們開發出一種簡單模型，可以預測不同參數（氣壓、溫度等）下石墨烯的生長速度。

他們對現有CVD系統進行了改進，生產出的石墨烯質量非常高，與膠帶“撕”出的石墨烯幾乎相同，在磁場中顯示出分數量子霍爾效應。