大規(guī)模生產(chǎn)低成本石墨烯已成可能
自2004年石墨烯這一材料被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)研究和新聞就未曾間斷。
石墨烯的應用范圍很廣，從柔性電子產(chǎn)品到智能服裝，從可折疊顯示器到有機太陽能電池，甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。
2008年8月，美國科學家證實，石墨烯是目前已知世界上強度最高的材料。
然而，迄今為止，如何制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜仍舊是一個有待解決的難題。
據(jù)《紐約時報》近日報道，韓國科學家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得了重大突破。
韓國研究人員近日發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強度，其電學特性也是現(xiàn)有材料中最好的。這些單原子層厚的碳薄片是非常有前途的材料，可以用來制造平板顯示器所必需的柔性、超薄電極和晶體管。另外，石墨烯還可以制作可折疊的有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器和有機太陽能電池。
據(jù)悉，由韓國成均館大學和三星先進技術(shù)研究院的研究人員制備出的這種最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率達80%；在彎曲或延展過程中，它不僅不會斷裂，其電學特性也不會有任何改變。
到目前為止，也有其他科學家用更簡單的方法制備過大尺寸的石墨烯薄膜，但是這些新制備出的薄膜的導電性能是它們的30倍。而且，這些薄膜很容易轉(zhuǎn)移到不同的襯底上。“我們已經(jīng)證實石墨烯是具備高拉伸強度、透明的最佳電子材料之一。”領(lǐng)導這一工作的韓國科學家Byung Hee Hong教授表示。他們的這一成果已于1月14日發(fā)表在英國《自然》雜志網(wǎng)絡版上。
石墨烯是一種優(yōu)良的導體。它的電子傳輸速度要比硅快數(shù)十倍。它能夠在顯示器、有機太陽能電池、觸摸屏生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)上采用的脆弱的銦錫氧化物(ITO)電極。石墨烯晶體管也能夠替代硅薄膜晶體管，后者不僅不透光，而且難于在塑料上生長。
制作高質(zhì)量石墨烯微小薄片的最簡單的辦法是從石墨上剝離石墨烯層。石墨是由許多層的石墨烯組成的。2008年，美國羅格斯大學材料科學與工程系教授Manish Chhowalla領(lǐng)導的研究小組設計了一種在實際應用時制備厘米級石墨烯薄膜的方法。這些研究人員將氧化石墨融于水中，制造出獨立的氧化石墨烯片，這些石墨烯片沉淀在可彎曲的襯底頂部。
與他們不同，韓國研究人員使用了一種名為化學氣相沉積的方法。首先，他們在硅襯底上添加一層300納米厚的鎳。然后，他們在1000攝氏度的甲烷中加熱這一物質(zhì)，再將它迅速降至室內(nèi)溫度。這一過程能夠在鎳層的上部沉積出6或10層石墨烯。用制作鎳層圖形的方式，研究人員能夠制備出圖形化的石墨烯薄膜。
此外，美國麻省理工學院電子工程系教授Jing Kong也正在研究用類似的方法制備石墨烯薄片。但是，韓國研究者的工作已經(jīng)更進了一步，他們在把這些薄膜轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的同時不損壞薄膜的質(zhì)量。這種轉(zhuǎn)移可以用如下的兩種方法實現(xiàn)：一是把鎳用溶劑腐蝕掉以使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面，進而把石墨烯轉(zhuǎn)移到任何所需的襯底上；另外一種更簡單的方法就是用橡皮圖章式的技術(shù)轉(zhuǎn)移薄膜。
美國哥倫比亞大學物理系教授Philip Kim是新論文的作者之一。他表示，化學氣相沉積方法是制備大尺寸、高質(zhì)量石墨烯的最省錢方法之一，可以與現(xiàn)有的半導體制造工藝兼容?，F(xiàn)在，研究人員已能夠制備4英寸厚的薄片。不過，Byung Hee Hong表示，他們能夠很輕松地升級尺寸的規(guī)模。
與此前科學家們在這一領(lǐng)域所取得的成果相比，新的石墨烯薄膜缺陷更少。Byung Hee Hong認為，這是他們的薄膜導電性能提高30倍、遷移率提高20倍的原因所在。“這些薄膜的導電性能對于小尺寸液晶顯示器和觸摸式顯示器的一些入門級應用來說已經(jīng)足夠了。”美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系教授Yang Yang認為：“如果要想在有機太陽能電池和OLED產(chǎn)品中替代ITO，其導電性能還需要提高10倍。”
除了石墨烯之外，其他許多材料也被認為可以制作透光、可彎曲的電子產(chǎn)品。碳納米管就是其中強有力的競爭者之一。例如，研究人員在制作可彎曲的納米管半導體器件方面已經(jīng)取得進展。美國Unidym公司宣布，其使用碳納米管涂層塑料薄膜而不是ITO涂層的顯示器很快就會上市。
還有研究者正在用氧化銦涂層或氧化鋅、氧化銦納米線的方法制造可彎曲、透光的半導體器件。與此同時，密歇根大學的研究人員還用由非常細的金屬線組成的柵格制作透光的半導體器件。
石墨烯的優(yōu)點在于它優(yōu)越的強度和很高的遷移率（預計是納米管的兩倍）。萊斯大學石墨烯研究人員Tao He表示，新薄膜的導電性能和遷移率給人留下了很深的印象。“我還沒有見到任何與此相似或者可以與之媲美的工作”，他說，這項工作使得大規(guī)模生產(chǎn)低成本的柔性石墨烯電子產(chǎn)品成為可能。
