29 mars 2024 (Nanowerk Spotlight) grafen, ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett tvådimensionellt bikakegitter, har fängslat forskare sedan upptäckten på grund av dess extraordinära egenskaper. Vägen till att förverkliga grafenens fulla potential har dock hindrats av de utmaningar som är förknippade med att producera stora, högkvalitativa grafenfilmer på ett kostnadseffektivt och skalbart sätt. Under det senaste decenniet, kemisk ångavsättning (CVD) har dykt upp som den primära metoden för att odla högkvalitativa, kontinuerliga grafenfilmer. Trots anmärkningsvärda framsteg, såsom syntesen av fotlånga enkristallgrafenfilmer och produktionen av 4-tums enkristallgrafenwafers på bara 10 minuter, möter CVD-metoden fortfarande begränsningar vad gäller effektivitet och enhetlighet på grund av det komplexa syntesbetingelser som krävs. Att odla enhetliga grafenfilmer med stor yta är fortfarande en betydande utmaning, särskilt när det gäller att möta kraven för produktion i industriell skala. I ett nyligen genomfört genombrott har ett team av forskare från CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety vid National Center for Nanoscience and Technology i Beijing, Kina, utvecklat en ny metod för att odla grafen som övervinner många av de begränsningar som är förknippade med traditionella CVD-tekniker. Deras släckningsmetod för skanning av elektromagnetisk induktion (SEMI) möjliggör ultrasnabb syntes av stora, enhetliga grafenglas i fri luft, utan behov av en vakuumkammare eller katalysator. Forskningen har publicerats i Avancerade funktionella material ("Mycket effektiv tillväxt av stora enhetliga grafenglas i luften genom skanning av elektromagnetisk induktionssläckningsmetod").
Introduktion av SEMI-metoden och sålunda producerat enhetligt grafenglas i stor storlek.a) Illustrationen av det hemmabyggda experimentsystemet; b) Schematiskt diagram av grafenbildningsmekanismen med SEMI-metoden; c) Ett fotografi av ett 400 mm × 400 mm grafenglas; d) De representativa Raman-spektra som samlats på olika områden över grafenfilmen; e) Högupplöst TEM (HR-TEM) bild av grafenfilmen överförd till ett Cu-nät; f) Fördelning av ytresistansvärde på en yta på 60 mm × 50 mm (samlad från 100 punkter); g,h) Konfokala SEM-Raman-resultat; g) SEM-bild, och insättningen är HR-SEM-bilden; h) Raman-kartläggning av G-toppintensiteten; i) Ett fotografi av ett grafenmönster; j) Ett fotografi av en grafenglasfiberstruktur; k) SEM-bild av grafenglasfiberstrukturen, och insättningen är SEM-bilden av ytan på en fiber belagd med kontinuerliga filmer. (Återtryckt med tillstånd från Wiley-VCH Verlag) SEMI-metoden fungerar genom att använda ett elektromagnetiskt induktionsinstrument för att snabbt värma upp en grafitplatta, som är i nära kontakt med ett glassubstrat belagt med ett tunt lager av polydopamin (PDA). När induktionsspolen rör sig över substratet värms glaset omedelbart upp och en kontinuerlig grafenfilm bildas på ytan längs spolens bana. Detta tillvägagångssätt möjliggör tillväxt av grafenfilmer utan de storleksbegränsningar som en vakuumkammare innebär, vilket gör den mycket mer skalbar än CVD. Med SEMI-metoden producerade forskarna ett 400 mm × 400 mm grafenglas på bara 2 minuter, en betydande förbättring jämfört med CVD-tekniker. Det resulterande grafenglaset uppvisade utmärkt enhetlighet, filmvidhäftning och full täckning, med en ytresistans under 500 Ω sq-1, mycket lägre än den för grafen framställd med andra metoder. Dessutom visade grafenglaset enastående termisk stabilitet, bibehöll stabil prestanda vid temperaturer upp till 1000 °C, och överträffade stabiliteten hos andra transparenta ledande material som indiumtennoxid (ITO) och platinafilmer. SEMI-metoden erbjuder flera viktiga fördelar jämfört med CVD, inklusive förmågan att odla grafen vid höga temperaturer i friluft, en skanningsmetod som säkerställer enhetlig uppvärmning och kylning och kompatibilitet med roll-to-roll-bearbetning för flexibla substrat. Genom att eliminera behovet av en vakuumkammare och katalysator, reducerar SEMI-metoden avsevärt produktionstid och kostnader samtidigt som det möjliggör tillväxt av grafen på substrat av praktiskt taget alla storlekar. De potentiella tillämpningarna för grafenglas är stora och spänner över industrier som elektronik, energilagring, flyg och medicin. Inom elektronik kan grafenglas revolutionera produktionen av pekskärmar, flexibla skärmar och solceller, vilket ger överlägsen transparens, ledningsförmåga och hållbarhet jämfört med nuvarande material. Inom energisektorn kan grafenglas möjliggöra utvecklingen av mer effektiva och lätta batterier och superkondensatorer. För flyg- och biltillämpningar kan grafenglas leda till skapandet av starkare, lättare och mer termiskt stabila komponenter. Inom medicin kan grafenglas användas för att utveckla avancerade biosensorer, läkemedelsleveranssystem och till och med konstgjorda organ. Allt eftersom forskningen kring SEMI-metoden fortsätter förväntas ytterligare optimeringar och uppskalning av processen leda till ännu större framsteg inom produktionen av grafenfilmer. Den framgångsrika demonstrationen av denna teknik på olika glassubstrat, inklusive kvarts-, glaskeramik- och glasfibertexturer, framhäver dess mångsidighet och potential för integration med befintliga tillverkningsprocesser. Det kvarstår dock utmaningar med att fullt ut realisera potentialen i SEMI-metoden. Ytterligare forskning behövs för att optimera processparametrarna, såsom sammansättningen av PDA-lagret, temperaturen och hastigheten på induktionsspolen, för att uppnå bästa möjliga grafenkvalitet och enhetlighet. Dessutom, även om SEMI-metoden är mycket skalbar, krävs fortfarande arbete för att utveckla den infrastruktur och försörjningskedjor som krävs för storskalig produktion. Trots dessa utmaningar representerar utvecklingen av SEMI-härdningsmetoden ett betydande steg framåt i produktionen av högkvalitativa grafenfilmer med stor yta för industriella applikationer. Genom att möjliggöra den ultrasnabba tillväxten av enhetligt grafenglas i utomhus, övervinner detta innovativa tillvägagångssätt begränsningarna hos traditionella CVD-metoder och banar väg för kostnadseffektiv, storskalig produktion av grafenbaserade enheter. Under de kommande åren, när forskare fortsätter att förfina och optimera denna banbrytande teknik, kan vi förvänta oss att se en ny era av grafenbaserad teknik som utnyttjar de extraordinära egenskaperna hos detta material för att skapa transformativa tillämpningar inom ett brett spektrum av industrier. SEMI-metoden tar oss ett steg närmare att förverkliga grafenens fulla potential.
Introduktion av SEMI-metoden och sålunda producerat enhetligt grafenglas i stor storlek.a) Illustrationen av det hemmabyggda experimentsystemet; b) Schematiskt diagram av grafenbildningsmekanismen med SEMI-metoden; c) Ett fotografi av ett 400 mm × 400 mm grafenglas; d) De representativa Raman-spektra som samlats på olika områden över grafenfilmen; e) Högupplöst TEM (HR-TEM) bild av grafenfilmen överförd till ett Cu-nät; f) Fördelning av ytresistansvärde på en yta på 60 mm × 50 mm (samlad från 100 punkter); g,h) Konfokala SEM-Raman-resultat; g) SEM-bild, och insättningen är HR-SEM-bilden; h) Raman-kartläggning av G-toppintensiteten; i) Ett fotografi av ett grafenmönster; j) Ett fotografi av en grafenglasfiberstruktur; k) SEM-bild av grafenglasfiberstrukturen, och insättningen är SEM-bilden av ytan på en fiber belagd med kontinuerliga filmer. (Återtryckt med tillstånd från Wiley-VCH Verlag) SEMI-metoden fungerar genom att använda ett elektromagnetiskt induktionsinstrument för att snabbt värma upp en grafitplatta, som är i nära kontakt med ett glassubstrat belagt med ett tunt lager av polydopamin (PDA). När induktionsspolen rör sig över substratet värms glaset omedelbart upp och en kontinuerlig grafenfilm bildas på ytan längs spolens bana. Detta tillvägagångssätt möjliggör tillväxt av grafenfilmer utan de storleksbegränsningar som en vakuumkammare innebär, vilket gör den mycket mer skalbar än CVD. Med SEMI-metoden producerade forskarna ett 400 mm × 400 mm grafenglas på bara 2 minuter, en betydande förbättring jämfört med CVD-tekniker. Det resulterande grafenglaset uppvisade utmärkt enhetlighet, filmvidhäftning och full täckning, med en ytresistans under 500 Ω sq-1, mycket lägre än den för grafen framställd med andra metoder. Dessutom visade grafenglaset enastående termisk stabilitet, bibehöll stabil prestanda vid temperaturer upp till 1000 °C, och överträffade stabiliteten hos andra transparenta ledande material som indiumtennoxid (ITO) och platinafilmer. SEMI-metoden erbjuder flera viktiga fördelar jämfört med CVD, inklusive förmågan att odla grafen vid höga temperaturer i friluft, en skanningsmetod som säkerställer enhetlig uppvärmning och kylning och kompatibilitet med roll-to-roll-bearbetning för flexibla substrat. Genom att eliminera behovet av en vakuumkammare och katalysator, reducerar SEMI-metoden avsevärt produktionstid och kostnader samtidigt som det möjliggör tillväxt av grafen på substrat av praktiskt taget alla storlekar. De potentiella tillämpningarna för grafenglas är stora och spänner över industrier som elektronik, energilagring, flyg och medicin. Inom elektronik kan grafenglas revolutionera produktionen av pekskärmar, flexibla skärmar och solceller, vilket ger överlägsen transparens, ledningsförmåga och hållbarhet jämfört med nuvarande material. Inom energisektorn kan grafenglas möjliggöra utvecklingen av mer effektiva och lätta batterier och superkondensatorer. För flyg- och biltillämpningar kan grafenglas leda till skapandet av starkare, lättare och mer termiskt stabila komponenter. Inom medicin kan grafenglas användas för att utveckla avancerade biosensorer, läkemedelsleveranssystem och till och med konstgjorda organ. Allt eftersom forskningen kring SEMI-metoden fortsätter förväntas ytterligare optimeringar och uppskalning av processen leda till ännu större framsteg inom produktionen av grafenfilmer. Den framgångsrika demonstrationen av denna teknik på olika glassubstrat, inklusive kvarts-, glaskeramik- och glasfibertexturer, framhäver dess mångsidighet och potential för integration med befintliga tillverkningsprocesser. Det kvarstår dock utmaningar med att fullt ut realisera potentialen i SEMI-metoden. Ytterligare forskning behövs för att optimera processparametrarna, såsom sammansättningen av PDA-lagret, temperaturen och hastigheten på induktionsspolen, för att uppnå bästa möjliga grafenkvalitet och enhetlighet. Dessutom, även om SEMI-metoden är mycket skalbar, krävs fortfarande arbete för att utveckla den infrastruktur och försörjningskedjor som krävs för storskalig produktion. Trots dessa utmaningar representerar utvecklingen av SEMI-härdningsmetoden ett betydande steg framåt i produktionen av högkvalitativa grafenfilmer med stor yta för industriella applikationer. Genom att möjliggöra den ultrasnabba tillväxten av enhetligt grafenglas i utomhus, övervinner detta innovativa tillvägagångssätt begränsningarna hos traditionella CVD-metoder och banar väg för kostnadseffektiv, storskalig produktion av grafenbaserade enheter. Under de kommande åren, när forskare fortsätter att förfina och optimera denna banbrytande teknik, kan vi förvänta oss att se en ny era av grafenbaserad teknik som utnyttjar de extraordinära egenskaperna hos detta material för att skapa transformativa tillämpningar inom ett brett spektrum av industrier. SEMI-metoden tar oss ett steg närmare att förverkliga grafenens fulla potential.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64947.php
