一种制造石墨烯薄片的新方法

石墨烯作为新型电子设备材料的前景，以及其他用途，促使世界各地的研究人员研究这种材料以寻找新的应用。但是，要更广泛地使用这种坚固、轻质、高导电材料，最大的限制之一是在工业规模上的制造障碍。

碳材料形成一个原子尺度的网格，只有一个原子厚度，最初的工作依赖于微小薄片的使用，通常是通过快速从石墨块上撕下一块胶带来获得的，这种技术含量低的系统不适用于制造。从那时起，研究重点转移到在金属箔上制作石墨烯薄膜，但研究人员在将石墨烯从箔转移到有用的基底上时遇到了困难。

现在，麻省理工学院(MIT)和密歇根大学(University of Michigan)的研究人员已经提出了一种生产石墨烯的方法，这种方法可以直接在大块玻璃等材料上生产石墨烯，而且可以扩大生产规模。由麻省理工学院a . John Hart领导的九人研究小组在本周《科学报告》杂志上发表的一篇论文中描述了这一过程。这篇论文的主要作者是现任密歇根大学的前麻省理工学院博士后丹·麦克纳尼(Dan McNerny)和现任印度理工学院的前麻省理工学院博士后Viswanath Balakrishnan。

目前，大多数制造石墨烯的方法都是先在镍或铜等金属薄膜上生长这种材料，三井职业发展机械工程副教授哈特说。他说:“为了让它有用，你必须把它从金属上弄到基板上，比如硅片或聚合物片，或者像玻璃片这样更大的东西。”“但转移石墨烯的过程比生长石墨烯本身的过程更令人沮丧，可能会破坏和污染石墨烯。”

哈特说，这项新工作仍然使用金属薄膜作为模板，但它不是只在金属薄膜上制造石墨烯，而是在薄膜的顶部和底部都制造石墨烯。在这种情况下，衬底是二氧化硅，一种玻璃，上面有一层镍薄膜。

Hart说，使用化学气相沉积(CVD)在镍膜上沉积一层石墨烯，“不仅在(镍层)上产生石墨烯，而且在(镍层)底部也产生石墨烯。”然后镍膜可以被剥离，只留下石墨烯在非金属基板的顶部。

这样，就不需要单独的过程来将石墨烯附着到预期的基板上——例如，无论是用于显示屏的大玻璃板，还是可以用作轻质便携式太阳能电池基础的薄而灵活的材料。哈特说:“你在基片上进行CVD，使用我们的方法，石墨烯会留在基片上。”

除了哈特之前任教的密歇根大学的研究人员之外，这项工作还与大型玻璃制造商嘉德工业公司(Guardian Industries)合作完成。哈特说:“为了满足他们的制造需求，它必须具有很强的可扩展性。”该公司目前使用的是浮法工艺，玻璃在每天生产数百吨玻璃的设备中以每分钟几米的速度移动。Hart说:“我们受到了开发一种可扩展的制造工艺的启发，这种工艺可以直接在玻璃基板上生产石墨烯。”

这项工作仍处于早期阶段;Hart警告说:“我们仍然需要提高石墨烯的均匀性和质量，使其有用。”但潜力是巨大的，他建议:“直接在非金属基材上生产石墨烯的能力可以用于大屏幕显示器和触摸屏，以及集成了加热器和传感器等设备的‘智能’窗户。”

Hart补充说，这种方法也可以用于小规模应用，例如硅片上的集成电路，如果石墨烯可以在比目前研究中使用的更低的温度下合成的话。

他说:“这种新工艺是基于对石墨烯生长与镍膜力学的一致理解。”“我们已经证明了这种机制是可行的。现在的问题是提高生产高性能石墨烯涂层所需的属性。”

这项工作得到了卫报工业公司、国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。

麻省理工学院

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