涂有石墨烯的銅基板。左：銅表面處理;右：石墨烯層開(kāi)始形成。上面為光學(xué)顯微鏡圖像，下面為掃描電子顯微鏡圖像。
麻省理工(MIT)和密歇根大學(xué)(University of Michigan)的工程師開(kāi)發(fā)出了一種新型的可用于商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯及其他2D材料的工藝。
石墨烯在柔性光源、可集成玻璃的太陽(yáng)能板、用于淡化及純化水的膜等方面有著重要的作用。但所有這些應(yīng)用都面臨著一個(gè)同樣的大問(wèn)題：石墨烯薄膜規(guī)?；⒂行С杀镜倪B續(xù)生產(chǎn)方法。
本周，MIT和密歇根大學(xué)研究人員在Scientific Reports上發(fā)表的新工藝有望改變這一困境。該論文第一作者、MIT機(jī)械工程副教授A. John Hart認(rèn)為他所在的研究團(tuán)隊(duì)提出的這種新型卷對(duì)卷的生產(chǎn)工藝可使石墨烯及其他2D材料應(yīng)用于實(shí)際中，“需要以一種重復(fù)的、性?xún)r(jià)比高的方式來(lái)生產(chǎn)?！?br />現(xiàn)有的方式只能生產(chǎn)少量的石墨烯——利用膠帶從石墨塊上粘膠出石墨烯片，或者使用實(shí)驗(yàn)室熔爐生產(chǎn)郵票大小的石墨烯薄膜。相比于這些方式，該新方法在生產(chǎn)石墨烯的質(zhì)量上有了一個(gè)很大的飛躍。但是這種新方法為了確保連續(xù)生產(chǎn)，使用了一種薄金屬箔作為基板，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中隨著兩個(gè)軸平穩(wěn)的相對(duì)移動(dòng)將材料沉積在金屬箔上。最終獲得的片的尺寸收到金屬箔卷軸寬度的限制。
因?yàn)檫B續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程不需要在固定的真空室內(nèi)對(duì)加載和未加載材料進(jìn)行停止和啟動(dòng)的操作，這將實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。最終獲得這種具有優(yōu)異電子和光學(xué)性質(zhì)的已知材料中強(qiáng)度最大之一的石墨烯。

(a)卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝示意圖，銅軸位于生產(chǎn)管的兩端，薄的銅基板帶材纏繞在中心管上。
(b)為裝置的剖面圖，化學(xué)氣相沉積過(guò)程發(fā)生在兩個(gè)管之間的間隙處。
(c)為整體系統(tǒng)的實(shí)物照片，箭頭表示絲帶的運(yùn)動(dòng)方向。
(d)為內(nèi)部銅帶材的特寫(xiě)鏡頭，從上面的孔注入化學(xué)蒸汽。
(e)是銅箔通過(guò)裝置的俯視圖。
該新工藝采用了MIT及其他地方制備石墨烯使用的化學(xué)氣相沉積方法——使用一個(gè)在水平基板(如銅箔)上含有氣相碳反應(yīng)物的小真空室。該新體系采用類(lèi)似的氣相化學(xué)，但真空室由兩個(gè)同心管組成，薄的銅帶材基板平穩(wěn)的滑過(guò)內(nèi)管。
氣體通過(guò)精確的孔流入管中并釋放，使得基板按順序暴露在兩種混合氣體中。第一個(gè)區(qū)域稱(chēng)之為退火區(qū)，用于制備基板表面;第二個(gè)區(qū)域稱(chēng)為生長(zhǎng)區(qū)，即石墨烯在帶材上形成的地方。將真空室加熱至約1000攝氏度進(jìn)行反應(yīng)。
研究人員設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的樣機(jī)，發(fā)現(xiàn)帶材以每分鐘25米(即1英尺)的速率通過(guò)時(shí)，可獲得非常均勻的、高質(zhì)量的單層石墨烯。當(dāng)速度提高20倍時(shí)，仍然可以生產(chǎn)出涂層，但石墨烯的質(zhì)量很差，且具有很多缺陷。
在一些應(yīng)用方面(如過(guò)濾膜)需要非常高質(zhì)量的石墨烯，但在薄膜加熱器等某些應(yīng)用上，較低質(zhì)量的石墨烯片也能很好的應(yīng)用，MIT當(dāng)代技術(shù)(Contemporary Technology)Mitsui職業(yè)發(fā)展副教授Hart如是說(shuō)。
到目前為止，新工藝生產(chǎn)的石墨烯“不完全[等于]是可批量生產(chǎn)的最好的”。Hart說(shuō)，——但是，與其他連續(xù)生產(chǎn)工藝相比，“據(jù)我們所知，至少是一樣好的”。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)研究，如去除表面缺陷的處理，可能有助于改善最終石墨烯片的質(zhì)量，他這樣說(shuō)到。
該小組正在研究這些細(xì)節(jié)，Hart補(bǔ)充到，并研究針對(duì)特殊應(yīng)用的工藝選擇，比如提高生產(chǎn)效率和石墨烯質(zhì)量之間的權(quán)衡。接著，他說(shuō)，“下一步是要了解如何達(dá)到極限，可以提高10倍速度或者更高?！?br />Hart說(shuō)，雖然這項(xiàng)研究集中在石墨烯上，但該機(jī)器也可用于連續(xù)生產(chǎn)其他二維材料，甚至是用于生長(zhǎng)碳納米管陣列，這些他的團(tuán)隊(duì)都在研究當(dāng)中。
“這項(xiàng)高質(zhì)量的研究代表著大尺寸石墨烯可擴(kuò)展生產(chǎn)方式的重要里程碑?！?賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)物理和天文學(xué)教授Charlie Johnson說(shuō)，“我認(rèn)為同心管方法是很有創(chuàng)意的。一旦可以將它擴(kuò)展到更寬的銅箔上，這將極大的降低石墨烯的生產(chǎn)成本?！?Charlie Johnson教授本人并未參與此項(xiàng)研究。
該研究小組的成員還包括密歇根大學(xué)(University of Michigan )的Erik Polsen和Daniel McNerny，麻省理工學(xué)院(MIT)的博士后Viswanath Balakrishnan和Sebastian Pattinson。該研究獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)和空軍科學(xué)研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)的支持。