中國儲能網(wǎng)訊：在中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委和化學(xué)所的大力支持下，化學(xué)所有機固體院重點實驗室相關(guān)研究人員在石墨烯的可控制備和性能研究方面取得系列進展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在PNAS、JACS (2篇)、Adv. Mater. (3篇), 并應(yīng)邀在Acc. Chem. Res. 雜志上發(fā)表了述評。
石墨烯，作為一種完美的二維晶體因其獨特的結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。石墨烯的載流子類似于相對論粒子，具有室溫量子霍爾效應(yīng)，載流子濃度高達1013 cm-2, 膠帶剝離的石墨烯的載流子遷移率超過2.0 x 105 cm2/Vs, 比半導(dǎo)體工業(yè)中常用的硅高出100倍，單層石墨烯晶體管的截止頻率高達427GHz, 熱導(dǎo)率是銅的10倍，光的透過率可達97.7%, 強度是鋼的100倍。2010年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了石墨烯的兩位發(fā)現(xiàn)者：K. S. Novoselov和A. K. Geim，以表彰他們在石墨烯發(fā)現(xiàn)方面做出的巨大貢獻。但石墨烯在電子學(xué)方面的真正應(yīng)用尚有一些基本科學(xué)問題亟待解決，如：大面積、高質(zhì)量、層數(shù)可控的石墨烯的制備;石墨烯為零帶隙的半導(dǎo)體，基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管在室溫下的開關(guān)比往往小于10，限制了它們在數(shù)字電路中的應(yīng)用，如何打開石墨烯的帶隙與微電子加工技術(shù)的工藝兼容性問題等。另外石墨烯的奇異性能和實際應(yīng)用也有待進一步探索。針對這些科學(xué)問題，相關(guān)人員進行了深入研究，取得了如下主要結(jié)果。
液態(tài)銅上生長石墨烯。在眾多的石墨烯制備方法中，化學(xué)氣相沉積法(CVD)由于成本低、可控性好、可大規(guī)模制備等優(yōu)點近年來掀起了對其的研究熱潮。2009年，美國奧斯汀大學(xué)Ruoff組利用固體銅箔作為金屬催化劑制備出了連續(xù)均勻的石墨烯薄膜。相比于傳統(tǒng)制備石墨烯的金屬催化劑，銅中碳的溶解度極低，因此可以得到單層大面積石墨烯薄膜。但是由于受到固態(tài)銅催化劑表面不均勻性影響，晶界較多，得到的石墨烯質(zhì)量不高，極大地影響了石墨烯的應(yīng)用。有機固體重點實驗室相關(guān)研究人員創(chuàng)造性地引入液態(tài)銅概念，利用液態(tài)銅的良好流動性及均勻性等特點降低了所得石墨烯的晶界，制備出了高質(zhì)量大面積的單層石墨烯薄膜(圖1)。另外，他們還通過控制生長參數(shù)及實驗溫度等條件，制備了規(guī)則排布的六角石墨烯片，單個規(guī)則六角石墨烯尺寸可以達到100微米以上。
研究結(jié)果表明，將反應(yīng)溫度升至銅的熔點1083℃以上，固態(tài)銅箔會變成熔融狀態(tài)即液態(tài)銅。在不同的基底上液態(tài)銅會顯示出不同的狀態(tài)，在石英基底上，銅熔融后會變成球狀，而以金屬鎢和鉬作為基底，液態(tài)銅可以均勻鋪展成平面。在此液態(tài)銅上，利用化學(xué)氣相沉積方法制備了高質(zhì)量、規(guī)則排布的六角石墨烯和均勻分散的石墨烯薄膜。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期出版的美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS，2012, 109(21), 7992)上。該論文PNAS以封面標(biāo)題(Growing uniform graphene films)的形式發(fā)表，并配發(fā)了評論員的專題評論(Controlling the shapes and assemblages of graphene)。論文發(fā)表后一些媒體，如：PNAS網(wǎng)站，Scienceness網(wǎng)站，科學(xué)網(wǎng)進行了報道。
