石墨烯的新型高速轧制制造工艺

铜基板显示在涂覆石墨烯的过程中。在左侧，该过程首先处理铜表面，并且在右侧，石墨烯层开始形成。使用可见光显微镜拍摄上部图像，使用扫描电子显微镜较低的图像拍摄。

MIT和密歇根大学的工程师开发了一种新的制造过程，可以帮助将石墨烯和其他2D材料带到商业产品。

Graphene是一种具有多主潜在应用的材料，包括在柔性光源中，可集成到窗口中的太阳能电池板，以及薄膜以脱底和净化水。但所有这些可能的用途都面对相同的大障碍：需要一种可扩展和经济高效的方法，用于连续制造石墨烯薄膜。

这可能最终通过本周在杂志和密歇根大学的科学报告中描述的新过程来改变。本文的高级作者John Hart表示，MIT机械工程副教授A. John Hart表示，他的团队描述的新的卷到卷制造过程解决了这一事实，即对于许多建议的石墨烯和其他二维材料的应用实用，“你需要重复和以成本效益的方式制作占地面积。“

使得这种数量的石墨烯将代表现有方法的大跨越，研究人员努力产生少量石墨烯 - 通常使用胶带从块状石墨中拉动这些薄片，或者使用实验室产生邮票的码头的大小炉。但是，新的方法承诺使用薄金属箔作为基板的薄金属箔，在工业过程中，在这些工业过程中，当物料将从一个线轴平滑地移动到另一个阀芯时，该工业过程中的工业过程中的工业过程中。所得片材的尺寸仅被箔卷的宽度和沉积将发生的腔室的尺寸限制。

由于连续过程消除了停止并开始从固定真空室加载和卸载材料的需要，如今的加工方法，它可能导致生产的显着扩大。这最终允许石墨烯的应用，具有独特的电子和光学性质，并且是已知的最强材料之一。

卷到辊工艺（a）的图示出了处理管的每个端部的铜卷轴的布置，以及薄铜基板的色带如何缠绕在中心管周围。相同设置（b）的横截面视图显示了两管之间的间隙，其中发生化学气相沉积过程。经过测试的系统的照片（c）整个系统，带有箭头，指示色带移动的方向; （d）设备内部铜带的特写，显示出注入化学蒸气的孔; （e）通过系统的铜箔的顶视图。

新方法是在MIT和其他地方使用的化学气相沉积方法的适应性，使得石墨烯制成石墨烯 - 含有含碳的蒸气在水平衬底上反应，例如铜箔。新系统使用类似的蒸汽化学，但是腔室是两个同心管的形式，另一个同心管形式，并且基板是铜的薄带，其铜在内管上滑地滑动。

气体流入管子并通过精确放置的孔释放，允许基板顺序地暴露于两个气体混合物。第一区域称为退火区域，用于制备基板的表面;第二区域是生长区，其中石墨烯形成在带上。将腔室加热至约1,000摄氏度以进行反应。

研究人员已经设计和建造了系统的实验室规模版本，发现当带以每分钟25毫米（1英寸）（1英寸）的速率移动时，创建了非常均匀的，高质量的单层石墨烯。当卷起20倍时，它仍然产生涂层，但石墨烯具有较低的质量，具有更多缺陷。

一些潜在的应用，例如过滤膜，可能需要非常高质量的石墨烯，而是其他应用，例如薄膜加热器可以很好地用较低质量的纸张工作，哈特表示，他是当代的三井职业发展副教授技术在麻省理工学院。

到目前为止，新系统生产石墨烯是“不完全相同的是可以通过批处理完成的最佳，”哈特说 - 但“对我们的知识，它仍然至少和其他人产生的东西一样好”连续流程。他说，进一步研究诸如基材的预处理以去除不需要的表面缺陷的细节可能导致所得石墨烯片的质量的改善。

该团队正在研究这些细节，HART增加，并学习可以为特定应用提供过程条件的权衡，例如在更高的生产率和石墨烯质量之间。然后，他说，“下一步是了解如何推动限制，让它快10倍以上。”

HART说，虽然该研究专注于石墨烯，但机器可以适于连续制造其他二维材料，或甚至生长的碳纳米管阵列，他的群体也在研究。

“这是高质量的研究，这对大面积石墨烯的可扩展生产方法的途径表示了重要进展，”宾夕法尼亚大学的物理学和天文学教授Charlie Johnson说，他们没有参与这项工作。“我认为同心管方法非常有创意。如果它可以缩放到较大的铜箔宽度，它有可能导致石墨烯的生产成本显着降低。“

研究团队还包括密歇根大学和博士莫尼克斯·莫尔德尔·麦克奈特·巴拉克里什南和麻省理工学院塞巴斯蒂安帕克里斯顿。该工作得到了国家科学基金会和科学研究空军办公室的支持。

出版物：Erik S. Polsen等，“使用同心管CVD反应器的石墨烯的高速轧制制造”，科学报告5，物品编号：10257; DOI：10.1038 / srep10257

图片：由研究人员礼貌