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        精准计划石墨烯 探索研究新进展

        编辑:晓涵

        精准计划石墨烯 探索研究新进展

        罗格斯大学领导的研究团队发表在《自然》杂志上一项研究指出,在精准计划石墨烯中存在莫尔图案的情况下,电子会组织成条纹,有助于寻找在室温下工作的量子材料,如超导体。这样的材料将大大降低能源消耗,使电力传输和电子设备更有效。
        研究小组研究了扭曲的双层石墨烯,这种双层石墨烯是由两层石墨烯叠加而成,并且稍微错位。这将创建一个“扭曲角度”,从而产生一个当扭曲角度变化时快速变化的莫尔图案。
        罗格斯大学物理学教授伊娃·Y·安德烈表明:“我们的研究结果提供了一个重要线索,将一种称为扭曲双层石墨烯的石墨烯与超导体联系起来,这种超导体可以在室温下工作。”
        2010年,安德烈的团队发现,除了美观之外,由双扭曲层石墨烯形成的莫尔图案对材料的电子性能有着显著的影响。这是因为莫尔图案减慢了石墨烯中导电的电子的速度,使它们以极快的速度相互穿过对方。
        之前有研究表明,当石墨烯满足1.1度的“魔法角度叠加时,电子可以在几乎零阻力的情况下传导电子,成为超导体。
        利用安德烈小组发明的一种研究扭曲双层石墨烯的技术,研究小组发现了一种状态,在这种状态下,电子将自己组织成结实且难以断裂的条纹。
        安德烈说:“我们的研究小组发现,这一特征与高温超导体中类似的观测结果极为相似,为揭示这些系统的深层次联系提供了新的证据,也为解开它们长久以来的奥秘开辟了新道路。”
        石墨烯早已跃为二维层状材料家族中的明星材料,其优异的机械、电学、光学、力学性质使其在光电、催化、传感器、透明导电薄膜、柔性电子器件、能源储存、防腐涂料、润滑、结构增强、武器装备、航天航空等领域展示出广阔的应用前景。目前,常用于制备石墨烯的方法有机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、化学还原氧化石墨烯等方法。
        电化学方法是在电场的作用下,通过阳极氧化或者阴极还原石墨电极,驱动电解液中的离子嵌入到石墨层中致使石墨结构发生膨胀、层间相互作用力减弱并随之产生剥离。与上述方法相比,电化学方法制备石墨烯具有设备简单、过程高效、环境相对友好、成本低廉、可控性强且制备周期短等优点,是一种有很大潜力的大规模生产石墨烯的方法。阳极氧化法容易在石墨烯上产生大量氧化缺陷,阴极还原剥离能避免含氧基团的生成,但制备的石墨烯产率并不高。目前学界对于电化学阳极、阴极剥离石墨开展了较多的探索研究,但迄今为止,使用电化学方法,尤其是阴阳双极同时剥离,仍然无法高效地制备高质量、高产率的石墨烯。
        近日,西安交通大学先进储能电子材料与器件研究所徐友龙教授团队经过系统的筛选和优化,选用四丁基高氯酸铵/碳酸丙烯酯溶液为剥离电解液,并设计了金属网包裹天然石墨的三明治结构石墨电极,通过深入探究离子嵌入石墨产生剥离过程的机理,采用电化学和热膨胀剥离相结合的方法,实现了阴阳极同时制备高质量的石墨烯。该方法制备的石墨烯不仅产率高(阴极:85%和阳极:48%),而且石墨烯缺陷少(ID/IG<0.08)、氧化程度低(C/O原子比>18.4)、电导率优异(>3×104 S/m)。另外在实验室条件下使用大尺寸石墨电极(Φ=20cm, 厚度5mm)生产精准计划石墨烯的速度可以达到25 g/h,为规模化制备高质量石墨烯奠定了基础。