野外で大きくて均一なグラフェンガラスを超高速で製造する方法

29 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) グラフェンは、二次元のハニカム格子に配置された炭素原子の単層であり、その並外れた特性により、発見以来研究者を魅了してきました。しかし、グラフェンの可能性を最大限に発揮する道は、費用対効果が高く拡張性の高い方法で大型で高品質のグラフェンフィルムを製造する際の課題によって妨げられてきました。過去10年間、化学蒸着 (CVD) は、高品質の連続グラフェン膜を成長させるための主要な方法として浮上しています。フィート長の単結晶グラフェン膜の合成やわずか 4 分での 10 インチの単結晶グラフェンウェハの製造などの顕著な進歩にも関わらず、CVD 法は複雑なプロセスによる効率と均一性の点で依然として限界に直面しています。合成条件が必要です。大面積で均一なグラフェンフィルムを成長させることは、特に工業規模の生産の需要を満たす場合、依然として大きな課題です。最近の画期的な進歩として、中国北京の国立ナノ科学技術センターにあるナノ材料の生物医学的効果とナノセーフティのためのCAS主要研究室の研究者チームが、グラフェンに関連する多くの制限を克服する新しいグラフェン成長方法を開発した。伝統的なCVD技術。同社の走査型電磁誘導（SEMI）消光法により、真空チャンバーや触媒を必要とせず、屋外で大型で均一なグラフェンガラスを超高速で合成できます。この研究は、 高度機能材料 (「走査電磁誘導焼入れ法による大面積で均一なグラフェンガラスの高効率成長」). SEMI法の導入と大型で均一なグラフェンガラスの作製

SEMI法の導入とそれによる大型で均一なグラフェンガラスの作製。a)自作実験システムの図。 b) SEMI法によるグラフェン形成機構の模式図。 c) 400 mm × 400 mm のグラフェンガラスの写真。 d) グラフェンフィルム上のさまざまな領域で収集された代表的なラマンスペクトル。 e）Cuグリッド上に転写されたグラフェンフィルムの高解像度TEM（HR-TEM）画像。 f) 60 mm × 50 mm の領域上の表面抵抗値分布 (100 点から収集)。 g、h）共焦点SEM-ラマンの結果。 g) SEM 画像、挿入図は HR-SEM 画像です。 h) G ピーク強度のラマンマッピング。 i) グラフェンパターンの写真。 j) グラフェンガラス繊維テクスチャーの写真。 k) グラフェンガラス繊維テクスチャーの SEM 画像。挿入図は、連続フィルムでコーティングされた 400 本の繊維の表面の SEM 画像です。 (Wiley-VCH Verlag から許可を得て転載) SEMI 法は、電磁誘導装置を使用して、ポリドーパミン (PDA) の薄層でコーティングされたガラス基板に密着したグラファイトプレートを急速に加熱することによって機能します。誘導コイルが基板上を移動すると、ガラスが瞬時に加熱され、コイルの経路に沿って表面に連続グラフェン膜が形成されます。このアプローチでは、真空チャンバーによるサイズ制限なしでグラフェン膜を成長させることができるため、CVD よりもはるかに拡張性が高くなります。研究者らは、SEMI 法を使用して、わずか 400 分で 2 mm × 500 mm のグラフェンガラスを製造しました。これは、CVD 技術に比べて大幅な改善です。得られたグラフェンガラスは、優れた均一性、膜密着性、完全な被覆性を示し、表面抵抗は XNUMX Ω sq 未満でした。-1他の方法で製造されたグラフェンよりもはるかに低い。さらに、グラフェンガラスは優れた熱安定性を示し、最大 1000 °C の温度でも安定した性能を維持し、酸化インジウムスズ (ITO) やプラチナフィルムなどの他の透明導電材料の安定性を上回りました。 SEMI 法には、屋外で高温でグラフェンを成長させる能力、均一な加熱と冷却を保証するスキャニングアプローチ、フレキシブル基板のロールツーロール処理との互換性など、CVD に勝るいくつかの重要な利点があります。 SEMI 法は真空チャンバーと触媒の必要性を排除することで、製造時間とコストを大幅に削減し、実質的にあらゆるサイズの基板上でグラフェンを成長させることができます。グラフェンガラスの潜在的な用途は多岐にわたり、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵、航空宇宙、医療などの業界に及びます。エレクトロニクス分野では、グラフェンガラスはタッチスクリーン、フレキシブルディスプレイ、太陽電池の製造に革命を起こす可能性があり、現在の材料と比較して優れた透明性、導電性、耐久性を実現します。エネルギー分野では、グラフェンガラスにより、より効率的で軽量な電池の開発が可能になる可能性があります。スーパーコンデンサー。航空宇宙および自動車用途では、グラフェンガラスにより、より強く、より軽く、より熱的に安定したコンポーネントの作成につながる可能性があります。医学では、グラフェンガラスは高度なバイオセンサー、薬物送達システム、さらには人工臓器の開発に使用される可能性があります。 SEMI 法の研究が進むにつれ、プロセスのさらなる最適化とスケールアップにより、グラフェン膜の製造がさらに大きく進歩すると期待されています。石英、ガラスセラミック、ガラス繊維テクスチャーなどのさまざまなガラス基板上でこの技術を実証することに成功したことは、その多用途性と既存の製造プロセスとの統合の可能性を強調しています。しかし、SEMI手法の可能性を完全に実現するには課題が残っています。可能な限り最高のグラフェンの品質と均一性を達成するには、PDA 層の組成、温度、誘導コイルの速度などのプロセスパラメーターを最適化するために、さらなる研究が必要です。さらに、SEMI手法は拡張性が高いものの、大規模生産に必要なインフラストラクチャとサプライチェーンを開発する作業がまだ必要です。これらの課題にもかかわらず、SEMI 急冷法の開発は、産業用途向けの大面積高品質グラフェンフィルムの製造において大きな進歩をもたらしました。この革新的なアプローチは、大気中での均一なグラフェンガラスの超高速成長を可能にすることで、従来の CVD 法の限界を克服し、グラフェンベースのデバイスの費用対効果の高い大規模生産への道を開きます。今後数年間、研究者らがこの画期的な技術の改良と最適化を続けるにつれて、この材料の並外れた特性を活用して幅広い業界にわたって革新的なアプリケーションを生み出す、グラフェンベースの技術の新時代が到来することが期待できます。 SEMI メソッドにより、グラフェンの可能性を最大限に引き出すことに一歩近づきます。

By

Michael Liebreich
バーガー