克量级石墨烯的生长

自2004年石墨烯登顶诺贝尔物理学奖,该材料在随后时间内深受研究人员追捧,从论文发表的数量上即可获悉其热度(如下图所示)。当石墨烯的“潘多拉之盒”被科学家逐步打开时,我们惊喜地发现其巨大的应用潜能,新一代的半导体器件、生物造影剂、能量转化与储存器件等等均闪现着石墨烯的身影。这些广泛而深入的研究工作在带给我们惊喜的同时,也在促使我们思考一个来自“原点”的问题——该如何更多地制备出该种材料?

图中数据依据Web of Science检索而得(以Graphene为检索主题),其中横坐标为年份(2013年数据截止至4月),纵坐标为发表的论文数量。

中国科学院化学研究所的刘云圻教授为我们解答了这个问题,他所在的研究团队通过借鉴之前电弧法制备可控碳纳米管与化学气相沉积法制备可控石墨烯中的成功经验,利用催化电弧法实现了克量级石墨烯的生长

“这项工作一共持续了将近3年的时间,在此期间,我们尝试了很多的碳源及催化剂,努力寻找到最合适的生长条件,并对生长机理进行了详细的研究,然后结合机理对各个条件都进行了进一步的优化,最后对工作进行了细致的分析总结。在该研究的初期阶段,由于石墨烯和碳纳米管生长机理上的差异,实验结果确实出乎了我们最初的预料,因为石墨烯生长的过程中有两种生长机理在同时进行。不过通过查阅文献及大家的讨论,我们很快对实验计划了进行了调整,并最终使得这样的生长特点成为了我们研究的亮点之一”,刘教授在接受本网站采访时阐述道。

催化电弧法制备克量级石墨烯(背景图片为闪电http://www.flickr.com/photos/snowpeak/3762193048/sizes/z/in/photostream/)

电弧法制备石墨烯的生长机理是一个较难解决的问题。因为电弧法制备的过程中反应温度极高,且研究人员无法利用原位观察。此外该反应过程在极短的时间内完成,所以也无法对各反应阶段进行表征分析。鉴于此,刘教授通过改变不同的条件,并结合不同条件下得到的不同结果进行归纳分析,提出了较为理想的反应机理,在随后的实验中也验证了该机理的合理性。

该研究工作的另一项难点是如何实现层数可控的石墨烯制备。刘教授指出:“通过改变条件将石墨烯的层数控制地越来越少,但依然未能实现大量单层石墨烯的可控制备。进一步,我们希望寻找到更合适的催化剂来实现这一目标”。

除了上述刘教授提到的层数可控制备外,他还计划将该项工作与化学气相沉积法相结合,结合电弧的大批量与化学气相沉积法的可控制备上的优势,发展一种“电弧—化学气相沉积法”来实现石墨烯的大批量可控制备。此外,将制备得到的石墨烯进行广泛的应用也将是他随后的重点研究方向。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。