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大尺寸石墨烯电子迁移率降低的原因是?

石墨烯只有一个原子厚度,有着异常突出的电、热、光学性能,几乎可以想象,未来在晶体管、传感器、储能器、柔性电子器件和生物医学行业都少不了它的身影,它的应用潜力不可限量。

而材料导电性是否良好的衡量标准是看电子能否快速通过。在这一点上,石墨烯的表现令人惊叹,它是目前在导电性方面前景最好的材料。然而,科学家们在将石墨烯做大开发新应用时发现,石墨烯在大尺寸下电子迁移率会降低,这完全限制了它的工业发展。但最近我们从瑞典和德国的两所大学的合作研究中听到了好消息,他们发现大片石墨烯电导率降低的原因是在其中生成了晶界。

大尺寸石墨烯电子迁移率降低的原因是?

石墨烯中的晶界

虽然在短期内,我们很难让这种缺陷从大片石墨烯的制备中灭绝,但幸亏他们找到了一种能够快速有效观察这种晶界的办法,极大得提高了大片石墨烯的质量检测和把控程度。是他们教会我们,既然不可避免那我们可以学会共处。

大尺寸石墨烯电子迁移率降低的原因是?

左边为不做处理的石墨烯光学显微镜图;右边为用蒸汽氢氟酸刻蚀两分钟后的石墨烯光学显微镜图 (图片来源:瑞典皇家理工学院)

因为石墨烯表现出很多常规材料不能匹及的性能,科学家们对它的应用研究尤其上心。到目前为止,这种应用探索几乎涉及未来技术的各个方面,其中就包括最关键的能源问题和健康问题。

然而,生产大片石墨烯并保持其优异性能不受伤害,这是一个尚未解决的挑战。目前使用最为广泛的石墨烯制备方法是气相沉积法,当用这个方法制备大片石墨烯时,石墨烯片尺寸在100mm×100mm或150mm×150mm 附近就会出现沉积缺陷形成晶界,进而影响电子迁移率。

大尺寸石墨烯电子迁移率降低的原因是?

瑞士皇家理工学院的Xuge Fan博士发现了这个现象,并立即对这种神奇材料的缺陷展开大面积观察。他说:“这些界限就像石墨烯二维蜂窝格子图案中的微小的接缝,会影响散射电子的流动,并严重影响石墨烯的材料性能。但这个是不可避免的,就像你穿着体面的衣服但上面依旧有针线缝合的痕迹一样,我们必须学会和它们一起生活。”

观察石墨烯晶界可不是简单的事情,在尝试过很多方法后,Fan博士从晶片的常规生产工艺中得到灵感,他将晶片的蒸汽氢氟酸(VHF)蚀刻和光学显微镜结合起来使用,找到了一种能有效观察晶界大小和分布的办法。他的创新使石墨烯晶界的观察变得不仅简单还便捷有效,在如今工艺不足以消除大片石墨烯内晶界缺陷的当下,这种技术会使对石墨烯质量的检测和把控更上一层楼,使工业界获得巨大收益。

Fan博士说:“迄今为止,在二氧化硅衬底上观察用化学沉积法制备的大片石墨烯,还找不到其他方法能比我们的更简单有效。我们的方法可以在两分钟内完成对大片石墨烯样品内晶界密度的快速评估,这有助于加快开发大规模高质量石墨烯的合成。”他还提到,随着石墨烯应用逐渐增多,这种技术还可用于制备石墨烯贴片分析设备,比如压力传感器、晶体管和气体传感器等,可以帮助研究晶界缺陷对器件性能的影响。

Fan博士以第一作者的身份将相关结论以论文形式发表在《Science Advances》期刊上,论文标题为Direct observation of grain boundaries in graphene through vapor hydrofluoric acid (VHF) exposure(用蒸汽氢氟酸刻蚀大片石墨烯可直接晶界)。

来源:GrapNews、粉体网

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