工程师将氧气与石墨烯的质量联系起来开发新技术以大规模重复生产这种材料

石墨烯被称为“21 世纪的神奇材料”。自 2004 年被发现以来，这种单层碳原子材料一直因其众多独特性能而备受推崇，其中包括超高电导率和非凡的抗拉强度。它有可能改变电子产品、储能、传感器、生物医学设备等。但石墨烯有一个肮脏的小秘密：它很脏。

现在，哥伦比亚大学的工程师和蒙特利尔大学及美国国家标准与技术研究所的同事准备采用无氧化学气相沉积( OF-CVD) 方法来清理材料，这种方法可以大规模生产高质量的石墨烯样品。

他们的研究成果于5月29日发表在《自然》杂志上，直接展示了微量氧如何影响石墨烯的生长速度，并首次确定了氧和石墨烯质量之间的联系。

“我们表明，在生长过程中消除几乎所有的氧气是实现可重复、高质量 CVD 石墨烯合成的关键，”资深作者、哥伦比亚工程学院机械工程系王方仁教授 James Hone 说道。“这是实现石墨烯大规模生产的里程碑。”

历史上，石墨烯的合成方法有两种。一种是“透明胶带法”，即用家用胶带从大块石墨样本(与铅笔芯中的材料相同)上剥离单个层。

此类剥离样品非常干净，不含任何会影响石墨烯理想性能的杂质。然而，它们往往太小(只有几十微米)，无法用于工业规模应用，因此更适合实验室研究。

为了从实验室探索转向实际应用，研究人员大约在 15 年前开发了一种合成大面积石墨烯的方法。这一过程称为 CVD 生长，将含碳气体(如甲烷)通入铜表面，温度足够高(约 1,000°C)，甲烷分解，碳原子重新排列，形成单个蜂窝状石墨烯层。

CVD 生长可以扩大规模，制造出厘米甚至米大小的石墨烯样品。然而，尽管世界各地的研究团队多年来一直努力，但 CVD 合成样品仍存在可重复性和质量不稳定的问题。

问题在于氧气。在之前的出版物中，蒙特利尔的合著者理查德·马特尔和皮埃尔·勒维斯克已经证明，微量的氧气会减缓生长过程，甚至会腐蚀石墨烯。因此，大约六年前，GSAS'19 的克里斯托弗·迪马科设计并建立了一个 CVD 生长系统，其中可以精确控制沉积过程中引入的氧气量。

现任博士生 Xingzhou Yan 和 Jacob Amontree 继续 DiMarco 的工作，进一步改进了生长系统。他们发现，当消除微量氧气时，CVD 生长速度要快得多，而且每次都得到相同的结果。他们还研究了无氧 CVD 石墨烯生长的动力学，发现一个简单的模型可以预测一系列不同参数(包括气压和温度)下的生长速度。

经证实，OF-CVD 生长的样品的质量与剥离石墨烯的质量几乎相同。与哥伦比亚大学物理系的同事合作，他们的石墨烯显示出磁场下分数量子霍尔效应的惊人证据，这是一种此前仅在超高质量二维电气系统中观察到的量子现象。

从这里开始，该团队计划开发一种方法，将他们的高质量石墨烯从金属生长催化剂干净地转移到其他功能基底(如硅)上——这是充分利用这种神奇材料的最后一块拼图。

“我们本科时就对石墨烯及其潜力着迷，”Amontree 和 Yan 说道。“在攻读博士学位的过去四年里，我们进行了无数次实验，合成了数千个样品。看到这项研究终于取得成果，真是梦想成真。”