Hoge kwaliteit, dikke grafietfilms maken

Grafiet van hoge kwaliteit heeft een uitstekende mechanische sterkte, thermische stabiliteit, hoge flexibiliteit en zeer hoge thermische en elektrische geleidbaarheid in het vlak, en daarom is het een van de belangrijkste geavanceerde materialen die in veel toepassingen worden gebruikt, waaronder lichte thermische geleiders in mobiele telefoons. Een specifiek type grafiet, Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG), is bijvoorbeeld een van de meest gebruikte laboratoriummaterialen.

Deze uitstekende eigenschappen komen voort uit de gelaagde structuur van grafiet, waarbij de sterke covalente binding tussen koolstofatomen in een grafeenlaag bijdraagt ​​aan de uitstekende mechanische eigenschappen. Thermische en elektrische geleidbaarheid en de zeer zwakke interactie tussen grafeenlagen leiden tot de hoge flexibiliteit van grafiet.

Hoewel grafiet al meer dan 1000 jaar in zijn natuurlijke vorm bekend is en de kunstmatige synthese ervan al meer dan 100 jaar wordt onderzocht, is de kwaliteit van grafietmonsters, zowel natuurlijke als gesynthetiseerde, verre van ideaal. De grootte van de grootste monokristallijne grafietdomeinen in grafietmaterialen is over het algemeen minder dan 1 mm, wat in schril contrast staat met de grootte van veel kristallen, zoals kwarts-eenkristallen en silicium-eenkristallen die metersschaal kunnen bereiken.

De zeer kleine omvang van monokristallijn grafiet is te wijten aan de zwakke interactie tussen grafietlagen, waarbij de vlakheid van een grafeenlaag moeilijk te handhaven is tijdens het groeiproces. Daarom kan grafiet gemakkelijk worden afgebroken tot enkele eenkristallen met ongeordende korrelgrenzen (zie figuur 1).

Om dit kritieke probleem op te lossen, hebben Distinguished Professor van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en zijn medewerkers, professor Kaihui Liu, professor Enge Wang van de Universiteit van Peking en anderen een strategie voorgesteld voor het synthetiseren van monokristallijne grafietfilms van orden van grootte , tot inch-schaal. In hun benadering worden enkelkristallijne Ni-folies als substraat gebruikt en worden caronatomen aangevoerd vanaf de achterkant van de Ni-folies via een isotherm oplossing-diffusie-precipitatieproces (zie figuur 2).

In plaats van karton in de gasfase te gebruiken, kiezen ze voor vaste koolstofmaterialen om de grafietgroei te voeden. De nieuwe strategie creëert binnen enkele dagen ~ 1 inch monokristallijne grafietfilms van 35 m dik, of meer dan 100.000 grafeenlagen. Het monokristallijne grafiet heeft een geregistreerde thermische geleidbaarheid van ~2.880 Wm^-1K^-1verwaarloosbare onzuiverheden en kleinste laagafstanden vergeleken met alle beschikbare grafietmonsters.

“Dit succes heeft eigenlijk te maken met een paar kritieke punten van het experimentele ontwerp: (1) de succesvolle synthese van grote monokristallijne Ni-films dient als een ultraplat substraat en dus kunnen de stoornissen in het gesynthetiseerde grafiet worden vermeden; (2) de isotherme groei van 100.000 grafeenlagen gedurende ~ 100 uur maakt het mogelijk dat elke grafeenlaag wordt gesynthetiseerd onder exact dezelfde chemische omgeving en temperatuur en zorgt zo voor de uniformiteit van de grafietkwaliteit; (3) continue koolstoftoevoer door de achterkant van de Ni-folie maakt de aaneengesloten groei mogelijk van grafeenlagen in een zeer hoge groeisnelheid, ~ één laag per vijf seconden,” legde professor Ding uit.

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het oktobernummer van 2022 Natuur Nanotechnologie.