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大尺寸石墨烯電子遷移率降低的原因是?

石墨烯隻有一個原子厚度,有着異常突出的電、熱、光學性能,幾乎可以想象,未來在晶體管、傳感器、儲能器、柔性電子器件和生物醫學行業都少不了它的身影,它的應用潛力不可限量。

而材料導電性是否良好的衡量标準是看電子能否快速通過。在這一點上,石墨烯的表現令人驚歎,它是目前在導電性方面前景最好的材料。然而,科學家們在将石墨烯做大開發新應用時發現,石墨烯在大尺寸下電子遷移率會降低,這完全限制了它的工業發展。但最近我們從瑞典和德國的兩所大學的合作研究中聽到了好消息,他們發現大片石墨烯電導率降低的原因是在其中生成了晶界。

石墨烯中的晶界

雖然在短期内,我們很難讓這種缺陷從大片石墨烯的制備中滅絕,但幸虧他們找到了一種能夠快速有效觀察這種晶界的辦法,極大得提高了大片石墨烯的質量檢測和把控程度。是他們教會我們,既然不可避免那我們可以學會共處。

左邊為不做處理的石墨烯光學顯微鏡圖;右邊為用蒸汽氫氟酸刻蝕兩分鐘後的石墨烯光學顯微鏡圖 (圖片來源:瑞典皇家理工學院)

因為石墨烯表現出很多常規材料不能匹及的性能,科學家們對它的應用研究尤其上心。到目前為止,這種應用探索幾乎涉及未來技術的各個方面,其中就包括最關鍵的能源問題和健康問題。

然而,生産大片石墨烯并保持其優異性能不受傷害,這是一個尚未解決的挑戰。目前使用最為廣泛的石墨烯制備方法是氣相沉積法,當用這個方法制備大片石墨烯時,石墨烯片尺寸在100mm×100mm或150mm×150mm 附近就會出現沉積缺陷形成晶界,進而影響電子遷移率。

瑞士皇家理工學院的Xuge Fan博士發現了這個現象,并立即對這種神奇材料的缺陷展開大面積觀察。他說:“這些界限就像石墨烯二維蜂窩格子圖案中的微小的接縫,會影響散射電子的流動,并嚴重影響石墨烯的材料性能。但這個是不可避免的,就像你穿着體面的衣服但上面依舊有針線縫合的痕迹一樣,我們必須學會和它們一起生活。”

觀察石墨烯晶界可不是簡單的事情,在嘗試過很多方法後,Fan博士從晶片的常規生産工藝中得到靈感,他将晶片的蒸汽氫氟酸(VHF)蝕刻和光學顯微鏡結合起來使用,找到了一種能有效觀察晶界大小和分布的辦法。他的創新使石墨烯晶界的觀察變得不僅簡單還便捷有效,在如今工藝不足以消除大片石墨烯内晶界缺陷的當下,這種技術會使對石墨烯質量的檢測和把控更上一層樓,使工業界獲得巨大收益。

Fan博士說:“迄今為止,在二氧化矽襯底上觀察用化學沉積法制備的大片石墨烯,還找不到其他方法能比我們的更簡單有效。我們的方法可以在兩分鐘内完成對大片石墨烯樣品内晶界密度的快速評估,這有助于加快開發大規模高質量石墨烯的合成。”他還提到,随着石墨烯應用逐漸增多,這種技術還可用于制備石墨烯貼片分析設備,比如壓力傳感器、晶體管和氣體傳感器等,可以幫助研究晶界缺陷對器件性能的影響。

Fan博士以第一作者的身份将相關結論以論文形式發表在《Science Advances》期刊上,論文标題為Direct observation of grain boundaries in graphene through vapor hydrofluoric acid (VHF) exposure(用蒸汽氫氟酸刻蝕大片石墨烯可直接晶界)。

來源:GrapNews、粉體網

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