Высококачественный графит обладает превосходной механической прочностью, термостабильностью, высокой гибкостью и очень высокой тепло- и электропроводностью в плоскости и, таким образом, является одним из наиболее важных современных материалов для многих применений, таких как использование в качестве легкого теплопроводника в сотовых телефонах. Например, особый тип графита, высокоупорядоченный пиролитический графит (HOPG), является одним из наиболее часто используемых лабораторных материалов. Эти превосходные свойства обусловлены слоистой структурой графита, где сильная ковалентная связь между атомами углерода в слое графена способствует превосходным механическим свойствам, тепловой и электрической проводимости, а очень слабое взаимодействие между слоями графена приводит к высокой гибкости графита.
Хотя графит был обнаружен в природе более 1000 лет назад, а его искусственный синтез изучался более 100 лет, качество образцов графита, как природного, так и синтезированного, далеко от идеала. Например, размер крупнейших монокристаллических графитовых доменов в графитовых материалах обычно составляет менее 1 мм, что резко контрастирует с размером многих кристаллов, таких как размер монокристаллов кварца и монокристаллов кремния, может достигать метрового масштаба. Очень маленький размер монокристаллического графита обусловлен слабым взаимодействием между слоями графита, когда в процессе роста трудно поддерживать плоскостность слоя графена, и, таким образом, графит может быть легко разбит на несколько монокристаллов с неупорядоченными границами зерен.
Чтобы решить критическую проблему, выдающийся профессор Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) и его сотрудники, профессор Кайхуэй Лю, профессор Энге Ван из Пекинского университета и другие, предложили стратегию синтеза монокристаллических графитовых пленок на порядки больших размеров, вплоть до дюймового масштаба. В их подходе в качестве подложки используются монокристаллические пленки Ni, а атомы карона поступают с обратной стороны пленок Ni посредством "процесса изотермического растворения-диффузии-осаждения". Вместо использования газофазного источника энергии они выбирают твердые углеродные материалы для подпитки роста графита. Такая новая стратегия позволяет получить ~ 1 дюйм монокристаллических графитовых пленок толщиной 35 мкм, или более 100 000 графеновых слоев, в течение нескольких дней. Монокристаллический графит имеет зарегистрированную теплопроводность ~2880 Втм-1К-1, незначительное содержание примесей и наименьшее расстояние между слоями по сравнению со всеми доступными образцами графита.
"Этот успех действительно по нескольким критическим вопросам экспериментального дизайна:
(1) успешный синтез крупногабаритных монокристаллических пленок Ni служит ультраплоской подложкой, и, таким образом, можно избежать нарушений в синтезированном графите.;
(2) изотермический рост 100 000 слоев графена в течение ~ 100 часов позволяет синтезировать каждый слой графена в точно такой же химической среде и температуре, что обеспечивает однородность качества графита.;
(3) непрерывная подача углерода через заднюю сторону никелевой фольги обеспечивает непрерывный рост слоев графена с очень большой скоростью роста, ~ один слой за пять секунд", - пояснил профессор Динг.
Результаты этого исследования были опубликованы в октябрьском номере журнала Nature Nanotechnology за 2022 год. В этом исследовании совместно участвовали профессор Кайхуэй Лю и профессор Энге Ван из Пекинского университета.
Комментарии