来自Skoltech、MIPT、RAS固态物理研究所、阿尔托大学和其他机构的科学家提出了第一种基于一氧化碳的石墨烯合成技术。这是简单快捷制造用于气体传感器、电子电路、光学器件和其他应用的高质量石墨烯的方法。
在Skoltech蚀刻在石墨烯中的雪花。光区域是石墨烯，深色区域是氧化铜。在找到最佳气体成分之前的一个实验中，当周围的石墨烯被二氧化碳蚀刻掉时，雪花图案出现了。图片来源：Artem Grebenko/Skoltech
该研究发表在受人尊敬的《高级科学》杂志上。
化学气相沉积是生产石墨烯的行业标准，石墨烯是一种单原子厚的碳原子片，以蜂窝图案排列，具有无与伦比的性能，可用于电子和其他应用。碳原子在CVD期间脱离气体分子并作为单层沉降在真空室的基板上。
铜长期以来一直是一种流行的基材，使用的气体一直是碳氢化合物 – 丙烷，甲烷，烈酒，乙炔等。
从一氧化碳合成石墨烯的想法很久以前就出现了，因为这种气体是单壁碳纳米管生长最方便的碳源之一。我们在一氧化碳方面拥有近20年的工作经验。
Albert Nasibulin，研究首席研究员和教授，Skoltech
Albert Nasibulin补充说：”然而，我们第一次用石墨烯进行的实验并不成功，我们花了很长时间才了解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于其完全催化分解，这使我们能够即使在环境压力下也能实现单层石墨烯大晶体的自限合成。
该项目是基础研究如何使应用技术受益的绝妙例子之一。由于对通过理论和实验验证的石墨烯形成和生长的深层动力学机制的理解，导致大型石墨烯晶体形成的优化条件变得可行。
Dmitry Krasnikov，研究合著者和高级研究科学家，Skoltech
新技术利用了所谓的自限性原理。当一氧化碳分子在高温下与铜基板非常接近时，它们会分解成氧原子和碳原子。在第一层结晶碳沉积并将气体与基板分离后，这种趋势会消失。
该过程自然有利于形成单层。基于甲烷的CVD也可以是自限性的，但仅限于有限的程度。
该研究的第一作者、Skoltech实习生Artem Grebenko补充说：”我们使用的系统具有许多优点：所得石墨烯更纯净，生长更快，并形成更好的晶体。此外，这种调整通过完全消除氢气和其他爆炸性气体的过程来防止它们发生事故。
由于该方法消除了燃烧的风险，因此不需要真空。该设备在标准压力下运行，使其比传统的CVD设备更容易使用。由于设计简化，合成速度更快。Grebenko评论说：”从取一块裸露的铜到拉出石墨烯只需要30分钟。
由于不再需要真空，因此该设备不仅工作速度更快，而且价格更便宜。”一旦你放弃了用于产生超高真空的高端硬件，你实际上可以以不超过1000美元的价格组装我们的’车库解决方案’，”研究人员补充道。
该研究的共同作者，MIPT教授Boris Gorshunov强调了所得材料的高质量。
每当一种新的石墨烯合成技术被提出时，研究人员都必须证明它产生了他们声称它所做的事情。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的石墨烯确实是高级石墨烯，可以与其他气体通过CVD产生的材料竞争。由此产生的材料是结晶的，纯净的，并且以足够大的碎片形式用于电子产品。
Boris Gorshunov，研究合著者，莫斯科物理与技术研究所教授
除了标准的石墨烯应用之外，使用与铜基板结合的石墨烯还有一些有趣的可能性，而不必去除金属。与甲烷相比，一氧化碳确实具有非常高的金属附着力。
随着石墨烯的沉积，它可以保护铜层免受化学反应的影响，同时还提供结构，从而产生具有优异催化性能的相对复杂的金属表面。在这种情况下，其他金属，如钌和钯，也可用于制造具有不寻常表面的新材料。
除了Skoltech，MIPT，ISSP RAS和Aalto之外，该研究还包括来自HSE大学，Dukhov自动研究所，Donostia国际物理中心，NUST MISIS，FU Berlin，IFW Dresden，瑞士联邦材料科学与技术实验室，Boreskov催化研究所，MEPhI和罗格斯大学的科学家。
在HZB Berlin对BESSY II光源进行的工作对这项研究至关重要，Skoltech的科学家们也承认这一点。
期刊参考：
Grebenko, A. K., et al. (2022) High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction. Advanced Science. doi.org/10.1002/advs.202200217.
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