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哥伦比亚大学工程学院的Hone实验室用他们的无氧化学气相沉积方法制造了100多个相同的石墨烯样品。资料来源:哥伦比亚大学Jacob Amontree和Christian Cupo

哥伦比亚工程学院墨氧石墨烯的质量和开发新技术，以可重复制造两者按比例的材料。

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因其独特的性能而备受推崇，其中包括超高的导电性和卓越的抗拉强度。它有潜力改变电子、能源存储、传感器、生物医学设备等。但是石墨烯有一个肮脏的小秘密:它是肮脏的。

石墨烯合成的突破

现在，哥伦比亚大学的工程师和蒙特利尔大学以及国家标准与技术研究所(NIST)的同事们正准备用一种无氧化学气相沉积(of - cvd)方法来清理这些东西，这种方法可以大规模地制造出高质量的石墨烯样品。他们的研究成果发表在5月29日的《自然》杂志上，直接展示了微量氧气如何影响石墨烯的生长速度，并首次确定了氧气和石墨烯质量之间的联系。

“我们表明，消除生长过程中几乎所有的氧气是实现可重复的、高质量CVD石墨烯合成的关键，”资深作者、哥伦比亚大学工程学院机械工程教授王芳仁(Wang Fong-Jen)说。“这是石墨烯大规模生产的一个里程碑。”

石墨烯生产的历史方法

历史上，石墨烯的合成有两种方法。有一种方法是“透明胶带”，用家用胶带从大块石墨(铅笔芯中也有这种材料)上剥下一层层的石墨。(请看下面的视频。)这种剥离的样品可以非常干净，没有杂质，否则会干扰石墨烯的理想性能。然而，对于工业规模的应用来说，它们往往太小了，只有几十微米，因此更适合实验室研究。

为了从实验室探索到实际应用，研究人员在大约15年前开发了一种合成大面积石墨烯的方法。这一过程被称为CVD生长，在足够高的温度(约1000℃)下，将含碳气体(如甲烷)传递到铜表面，甲烷分解，碳原子重新排列，形成单个蜂窝状的石墨烯层。

传统的挑战CVD生长

CVD生长可以按比例放大，以产生厘米甚至米大小的石墨烯样品。然而，尽管世界各地的研究小组进行了多年的努力，cvd合成的样品仍然存在可重复性和质量不稳定的问题。

问题是氧气。在之前的论文中，来自蒙特利尔的合著者Richard Martel和Pierre Levesque已经证明，微量的氧气可以减缓石墨烯的生长过程，甚至会腐蚀石墨烯。因此，大约六年前，GSAS第19届的Christopher DiMarco设计并建造了一个CVD生长系统，在该系统中，沉积过程中引入的氧气量可以被仔细控制。

无氧CVD生长研究进展

目前在读博士生闫兴洲(Xingzhou Yan)和雅各布·阿蒙特里(Jacob Amontree)继续了DiMarco的工作，进一步完善了生长体系。他们发现，当微量氧被消除时，CVD的生长速度要快得多，而且每次都给出相同的结果。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不同参数范围内的生长速度，包括气体压力和温度。

Jacob Amontree(左)和Xingzhou Yan(右)展示了他们在超扁平铜/蓝宝石晶圆上合成的原始CVD石墨烯。资料来源:哥伦比亚大学王志英

未来展望与应用

经证明，of - cvd生长的样品的质量与剥离的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，他们的石墨烯展示了磁场下分数量子霍尔效应的惊人证据，这种量子现象以前只在超高质量的二维电子系统中观察到。

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清洁地转移到其他功能衬底上，如硅——这是充分利用这种神奇材料的最后一块拼图。

“作为本科生，我们都对石墨烯及其潜力着迷，”阿蒙特里和严说。“在过去四年的博士生涯中，我们进行了无数次实验，合成了数千个样品。看到这项研究最终取得成果，我的梦想成真了。”

参考文献:“无氧化学气相沉积法合成可再生石墨烯”，作者:Jacob Amontree, Xingzhou Yan, Christopher S. DiMarco, Pierre L. Levesque, Tehseen Adel, Jordan Pack, Madisen Holbrook, Christian Cupo, Wang Zhiying, Sun Dihao, Adam J. Biacchi, Charlezetta E. Wilson-Stokes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Cory R. Dean, Angela R. ight Walker, Katayun Barmak, Richard Martel和James Hone, 2024年5月29日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07454 - 5

这项工作是由机械工程博士生Christopher DiMarco发起的，目前的博士生Xingzhou Yan和Jacob Amontree继续进行，他们在过去的四年里一直在修改系统并进行论文中所示的实验。这项工作由James Hone教授(机械工程)监督，Katayun Barmak教授(APAM)共同领导，Abhay Pasupathy教授和Cory Dean教授(物理学)提供了关键贡献。博士后Madisen Holbrook(物理学)对石墨烯原子晶格进行了成像，博士生Christian Cupo和Zhiying Wang (MECE)帮助进行了数据分析和测量。物理学博士生Jordan Pack, Dihao Sun和Adam Biachhi进行了关键的电测量。

蒙特利尔大学的Richard Martel和Pierre Levesque帮助指导了研究并测试了结果的可重复性。国家标准与技术研究所的Angela Hight-Walker博士的团队，特别是Tehseen Adel博士和Charlezetta Wilson-Stokes博士，对石墨烯进行了表征。