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(yīng)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(jī)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(xué)家證實(shí)，石墨烯是目前已知世界上強(qiáng)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(gè)有待解決的難題。
據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》近日報(bào)道，韓國科學(xué)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(qiáng)度，其電學(xué)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(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器和有機(jī)太陽能電池。
據(jù)悉，由韓國成均館大學(xué)和三星先進(jìn)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(dá)80%；在彎曲或延展過程中，它不僅不會(huì)斷裂，其電學(xué)特性也不會(huì)有任何改變。
到目前為止，也有其他科學(xué)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(dǎo)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(shí)石墨烯是具備高拉伸強(qiáng)度、透明的最佳電子材料之一。”領(lǐng)導(dǎo)這一工作的韓國科學(xué)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(luò)版上。
石墨烯是一種優(yōu)良的導(dǎo)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(jī)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(xué)材料科學(xué)與工程系教授Manish Chhowalla領(lǐng)導(dǎo)的研究小組設(shè)計(jì)了一種在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(dú)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(xué)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(xué)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(jìn)了一步，他們在把這些薄膜轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的同時(shí)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(shí)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(jìn)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(xué)物理系教授Philip Kim是新論文的作者之一。他表示，化學(xué)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(dǎo)體制造工藝兼容。現(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(xué)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(rèn)為，這是他們的薄膜導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。”美國加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系教授Yang Yang認(rèn)為：“如果要想在有機(jī)太陽能電池和OLED產(chǎn)品中替代ITO，其導(dǎo)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(rèn)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(qiáng)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(dǎo)體器件方面已經(jīng)取得進(jìn)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(huì)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(dǎo)體器件。與此同時(shí)，密歇根大學(xué)的研究人員還用由非常細(xì)的金屬線組成的柵格制作透光的半導(dǎo)體器件。
石墨烯的優(yōu)點(diǎn)在于它優(yōu)越的強(qiáng)度和很高的遷移率（預(yù)計(jì)是納米管的兩倍）。萊斯大學(xué)石墨烯研究人員Tao He表示，新薄膜的導(dǎo)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(xiàng)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。
