吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

25英寸石墨烯玻璃的快速制備

吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

玻璃是當(dāng)今日常生活不可或缺的重要材料，其應(yīng)用遍及方方面面。然而玻璃本身具有諸多的局限性，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能很差。石墨烯是最近十年間崛起的“材料之王”，與玻璃一樣具有非常好的透光性，而且石墨烯具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。原子層厚度的石墨烯是無(wú)法自支撐使用的，必須依靠一個(gè)載體，將玻璃作為石墨烯應(yīng)用的載體，既能夠保持玻璃本身良好的透光性，又能夠?qū)⑹┧哂械牧己脤?dǎo)電性、導(dǎo)熱性、表面疏水性、耐酸堿腐蝕、生物相容等優(yōu)點(diǎn)賦予玻璃。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范教授課題組1利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，直接在玻璃表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜，制備出高品質(zhì)的石墨烯玻璃。然而玻璃本身催化碳前驅(qū)體裂解能力很弱，需要依靠熱裂解來(lái)完成。在前期研究中，通常以甲烷為碳前驅(qū)體，采用常壓CVD的方式制備石墨烯玻璃，然而這種方法制備的石墨烯玻璃宏觀均勻性差，制約了石墨烯玻璃的尺寸，并且制備過(guò)程比較漫長(zhǎng)(1－7 h)。要實(shí)現(xiàn)石墨烯玻璃的大規(guī)模應(yīng)用，發(fā)展高效率的大面積石墨烯玻璃的均勻制備至關(guān)重要。

最近，劉忠范教授課題組2采用低壓CVD方法，首次選擇乙醇作為碳源前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)了25英寸高品質(zhì)石墨烯玻璃的快速制備，生長(zhǎng)時(shí)間可縮減到4－10 min。相比于常壓CVD體系，一方面低壓CVD體系下反應(yīng)腔內(nèi)的溫度分布、上下游氣體流速分布、活性碳物種濃度分布更加均勻3，CVD爐體內(nèi)可均勻生長(zhǎng)石墨烯的橫向尺寸顯著增大，從而能夠制備出大尺寸均勻性的石墨烯玻璃。另一方面，低壓CVD體系下反應(yīng)腔內(nèi)分子濃度低，氣體分子擴(kuò)散系數(shù)更大，極大地提高了從界面邊界層到基底表面活性碳物種的密度4，使得石墨烯成核和生長(zhǎng)速率得到顯著的提升，乙醇極高的熱裂解效率保證了反應(yīng)腔內(nèi)活性碳物種的濃度能夠滿足石墨烯生長(zhǎng)的需要5。值得一提的是，采用低壓CVD方法制備石墨烯玻璃的效率比常壓CVD方法提升了10－20倍。此外，由于低壓體系分子濃度低，活性碳物種碰撞幾率小，可以顯著減少無(wú)定形碳的產(chǎn)生，而乙醇裂解產(chǎn)生的羥基能夠有效刻蝕樣品表面的無(wú)定形碳，保證了高品質(zhì)石墨烯玻璃的制備。所制備的高品質(zhì)石墨烯可應(yīng)用于智能窗、生物分子檢測(cè)等領(lǐng)域。

該研究成果已在最近的Advanced Materials雜志2上發(fā)表。

(1)Sun,J.;Chen,Y.;Priydarshi,M.K.;Chen,Z.;Bachmatiuk,A.; Zou,Z.;Chen,Z.;Song,X.;Gao,Y.;Rummeli,M.H.;Zhang,Y.; Liu,Z.Nano Lett.2015,15,5846.doi:10.1021/acs. nanolett.5b01936

(2)Chen,X.;Chen,Z.;Jiang,W.;Zhang,C.;Sun,J.;Wang,H.;Xin, W.;Priydarshi,M.K.;Yang,H.;Liu,Z.;Tian,J.;Zhang,Y.; Zhang,Y.;Liu,Z.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/ adma.201603428

(3)Li,G.;Huang,S.;Li,Z.Phys.Chem.Chem.Phys.2015,17, 22832.doi:10.1039/c5cp02301g

(4)Bhaviripudi,S.;Jia,X.;Dresselhaus,M.S.;Kong,J.Nano Lett. 2010,10,4128.doi:10.1021/nl102355e

(5)Xiang,R.;Hou,B.;Einarsson,E.;Zhao,P.;Harish,S.; Morimoto,K.;Miyauchi,Y.;Chiashi,S.;Tang,Z.;Maruyama,S. ACS Nano 2013,7,3095.doi:10.1021/nn305180g

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10.3866/PKU.WHXB201612151www.whxb.pku.edu.cn