除氧可提高大规模生产石墨烯质量

石墨烯被称为“21世纪的神奇材料”。自2004年发现以来，这种单层碳原子材料一直因其众多独特性能而备受推崇。但目前大量生产的石墨烯有个缺点：质量不高。现在，美国哥伦比亚大学和加拿大蒙特利尔大学联合研究团队开发出一种新方法，利用无氧化学气相沉积（OF-CVD）法来净化石墨烯，从而大规模生产高质量石墨烯。相关论文发表在29日的《自然》杂志上。

哥伦比亚工程大学的Hone实验室采用无氧化学气相沉积法创建了100多个相同的石墨烯样品。 图片来源：哥伦比亚大学

这项研究展示了微量氧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。实验显示，要利用化学气相沉积（CVD）法合成高质量石墨烯，在生长过程中清除氧气是关键。这一发现或是迈向大规模生产石墨烯的一个里程碑。

制造石墨烯的方法有两种，其中之一是“透明胶带法”。利用家用胶带从石墨上“撕”出不同的层。这种方法剥离的石墨烯非常干净，不含影响其性能的杂质，但只有几十微米宽，只适合实验室研究，不适合工业规模生产。

为了探索石墨烯生产如何从实验室转向现实应用，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，这一过程称为化学气相沉积（CVD）生长法。在足够高的温度（约1000℃）下，让含碳气体（如甲烷）通过铜表面，使甲烷分解，碳原子重新排列，形成单一的蜂窝状石墨烯层。CVD生长法可以扩大规模，制造几厘米甚至几米大的石墨烯样品。然而，CVD生长法合成的样品质量却存在一致性欠佳、稳定性不足等问题。

此次，研究团队发现，每当消除微量氧时，石墨烯的生长速度会快得多。进一步分析后，他们开发出一种简单模型，可以预测不同参数（气压、温度等）下石墨烯的生长速度。

他们对现有CVD系统进行了改进，生产出的石墨烯质量非常高，与胶带“撕”出的石墨烯几乎相同，在磁场中显示出分数量子霍尔效应。