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石墨烯晶粒具有幾種不同的形狀，氫氣可控制這種晶粒的外觀。來源：橡樹嶺國家實驗室

新方法培育石墨烯，大大減輕了過去一直困擾研究人員的問題，開闢出一條道路，使結晶形態的石墨可用於明天的精密電子設備。


橡樹嶺國家實驗室（ORNL：Oak Ridge National Laboratory）能源部研究人員的結果證明，氫而不是碳，可以決定石墨烯晶粒的形狀和大小，這種說法來自一個小組，小組領導是橡樹嶺國家實驗室的伊万•烏拉修克（Ivan Vlassiouk），他是尤金•魏格納研究員（Eugene Wigner Fellow），還有謝爾蓋•斯米爾諾夫（Sergei Smirnov），他是新墨西哥州立大學（New Mexico State University）化學教授。這項研究發表在美國化學學會（ACS）《納米》（Nano）雜誌上。


“氫不僅誘發石墨烯的生長，而且控製石墨的形狀和大小，”烏拉修克說。“在我們的論文中，我們描述了一種方法，可以培育精心設計的石墨烯晶粒，具有完美的六角形狀，形成無缺陷的單晶結構。”


在過去的兩年中，石墨烯的培育需要分解含碳氣體，如甲烷，要採用銅箔在高溫下進行，也就是所謂的化學氣相沉積法（chemical vapor deposition）。很少有人知道具體過程，但研究人員知道，他們必須更好地理解培育機制，才可以生產出高品質的石墨烯薄膜。


到現在為止，培育出的石墨烯薄膜包含不規則形狀的石墨烯晶粒，而且大小不同，通常都不會是單晶。


烏拉修克說，“我們已經表明，令人驚訝的是，並不是只有碳源和基板才可以左右石墨烯顆粒的生長速度、形狀和尺寸。“我們發現，氫原來被認為起著較為被動的作用，實際上對於石墨烯的生長很關鍵，它有助於活化吸附的分子，誘發石墨烯生長，也有助於消除晶粒邊緣的弱鍵，控製石墨烯的質量。”


採用他們的新配方，烏拉修克和同事們發明了一種方法，能夠可靠地合成石墨烯，可以大規模進行。事實上，他們的技術可以控制晶粒尺寸和邊界，結果就會改善這種材料的功能，用於晶體管、半導體和幾百種電子設備。


這項研究的影響是巨大的，據烏拉修克說，“我們的研究結果是至關重要的，可以開發一種方法，用於培育超大尺寸的單疇石墨烯（single domain graphene），這將構成一個重大突破，使石墨烯用於現實世界中的設備。”


更多信息：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn201978y