研究发现：使用一氧化碳可以廉价生产高质量石墨烯

雪花蚀刻在Skoltech的石墨烯中。光区是石墨烯，暗区是氧化铜。雪花图案的出现是因为在发现最佳气体成分之前，周围的石墨烯在其中一个实验中被二氧化碳蚀刻掉了。图片来源：Artem Grebenko/Skoltech

研究人员提出了第一种利用一氧化碳作为碳源的石墨烯合成技术。这是一种快速而廉价的方式，可以使用相对简单的设备生产高质量的石墨烯，用于电子电路，气体传感器，光学器件等。该研究由斯科尔科沃科学技术研究所（Skoltech），莫斯科物理与技术研究所（MIPT），RAS固体物理研究所，阿尔托大学和其他地方的研究人员发表在着名的高级科学杂志上。

化学气相沉积（CVD）是合成石墨烯的标准技术，石墨烯是蜂窝排列的一个原子厚的碳原子片，具有无与伦比的性能，可用于电子应用等。CVD通常涉及碳原子分解气体分子并作为真空室中的单层沉降在基板上。铜是一种流行的基材，使用的气体一直是碳氢化合物：甲烷，丙烷，乙炔，烈酒等。

“从一氧化碳合成石墨烯的想法很久以前就出现了，因为这种气体是单壁碳纳米管生长最方便的碳源之一。我们在一氧化碳方面拥有近20年的工作经验。然而，我们用石墨烯进行的第一次实验并不成功，我们花了很长时间才了解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于其完全催化分解，这使我们能够即使在环境压力下也能实现大片单层石墨烯晶体的自限性合成，“该研究的首席研究员Skoltech教授Albert Nasibulin说。

石墨烯是排列在二维蜂窝晶格纳米结构中的单层碳原子。

“这个项目是基础研究如何使应用技术受益的绝妙例子之一。由于对理论和实验验证的石墨烯形成和生长的深层动力学机制的理解，导致大石墨烯晶体形成的优化条件变得可行，“该论文的合着者，Skoltech应力的高级研究科学家Dmitry Krasnikov。

新方法受益于所谓的自限性原则。在高温下，一氧化碳分子在靠近铜基板时往往会分解成碳原子和氧原子。然而，一旦沉积了第一层结晶碳并将气体与基板分离，这种趋势就会消退，因此该过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以自限性的方式运行，但程度较小。

“我们使用的系统具有许多优点：产生的石墨烯更纯净，生长更快，形成更好的晶体。此外，这种调整通过完全消除氢气和其他爆炸性气体的过程来防止氢气和其他爆炸性气体的事故，“该研究的第一作者，Skoltech实习生Artem Grebenko说。

该方法排除了燃烧风险，这意味着不需要真空。该设备在标准压力下工作，使其比传统的CVD设备简单得多。反过来，简化的设计可以加快合成速度。“从取一块裸露的铜到拉出石墨烯只需要30分钟，”Grebenko说。

由于不再需要真空，设备不仅工作得更快，而且更便宜。“一旦你放弃了用于产生超高真空的高端硬件，你实际上可以组装我们的'车库解决方案'，价格不超过1000美元，”研究人员强调说。

该研究的共同作者，MIPT教授Boris Gorshunov强调了所得材料的高质量：“每当提出一种新的石墨烯合成技术时，研究人员必须证明它能产生他们声称的东西。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的石墨烯确实是高级石墨烯，可以与通过CVD从其他气体中产生的材料竞争。由此产生的材料是结晶的，纯净的，并且大到足以用于电子产品的碎片。

除了石墨烯本身的标准应用之外，还有使用石墨烯结合到铜基板上的有趣可能性 - 而不清除金属。与甲烷相比，一氧化碳对金属具有非常高的粘附能。这意味着，当沉积发生时，石墨烯既可以保护铜层免受化学反应的影响，又赋予其结构，从而形成具有出色催化性能的高度发达的金属表面。其他一些金属，如钌和钯，也将在这种情况下发挥作用，为具有不寻常表面的新型材料开辟一条道路。

参考文献：Artem K. Grebenko，Dmitry V. Krasnikov，Anton V. Bubis，Vasily S. Stolyarov，Denis V. Vyalikh，Anna A. Makarova，Alexander Fedorov，Aisuluu Aitkulova，Alena A. Alekseeva，Evgeniia Gilshtein，Zakhar Bedran，Alexander N. Shmakov，Liudmila Alyabyeva，Rais N. Mozhchil，Andrey M. Ionov，Boris P. Gorshunov，Kari Laasonen，Vitaly Podzorov和Albert G. Nasibulin， 2022年2月20日，高级科学。
DOI： 10.1002/advs.202200217

除了Skoltech，MIPT，ISSP RAS和Aalto之外，本文报道的研究还包括来自HSE大学，Dukhov自动化研究所，Donostia国际物理中心，NUST MISIS，柏林FU，IFW德累斯顿，瑞士联邦材料科学与技术实验室，Boreskov催化研究所，MEPhI和罗格斯大学的研究人员。Skoltech研究人员还承认，在柏林HZB的BESSY II光源上所做的工作对这项研究很重要。

By 斯科尔科沃科学技术研究所（SKOLTECH）