Mirror-achtige grafietfilms breken platen in sterkte en geleidbaarheid

Grafiet heeft wereldwijd belangstelling getrokken vanwege zijn unieke anisotrope eigenschappen, waaronder uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid. Op grote schaal gebruikt als een batterijanodemateriaal en in toepassingen zoals elektromagnetische afscherming, katalyse en nucleaire technologie, blijft grafiet een kritisch materiaal op zowel industriële als onderzoeksgebieden.

Al tientallen jaren hebben onderzoekers geprobeerd kunstmatige grafiet van hoge kwaliteit te produceren met grote korrels en gladde, gelaagde structuren. Conventionele methoden omvatten meestal behandeling met hoge temperatuur van polymeerfilms onder mechanische stress. De resulterende materialen hebben echter vaak last van beperkte korrelgrootte, lagere dichtheid en oppervlakte -onregelmatigheden, met hun bulk mechanische eigenschappen zelden geëvalueerd.

Een andere bekende synthetische vorm, sterk georiënteerd pyrolytisch grafiet (HOPG), biedt verbeterde kristalliniteit, maar vertoont nog steeds relatief kleine domeingroottes.

Bovendien ontwikkelen dergelijke materialen de neiging om rimpels en vervormingen te ontwikkelen tijdens het koelen, en hun eigenschappen worden meestal bestudeerd op de microschaal – met behulp van exfolieerde vlokken in plaats van intacte grafietfilms. Aldus worstelden wetenschappers om grote, platte grafietkristallen te kweken zonder rimpels-een barrière om het volledige potentieel van Graphite in hightech-toepassingen te ontgrendelen.

Onder leiding van regisseur Rodney S. Ruoff van het Institute for Basic Science (IBS) hebben onderzoekers een baanbrekende methode ontwikkeld om spiegelachtige grafietfilms te produceren met millimeter-sized korrels-40.000 keer groter dan die gevonden in conventioneel synthetisch grafiet. Het werk is geweest gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Centraal in deze prestatie staat een slimme “poreuze substraat” -strategie: door selectief nikkel uit een gesmolten Ni-Mo-legering na grafietgroei te verdampen, creëerde het team een sponsachtig substraat dat de interactie tussen het grafiet en het metaaloppervlak dramatisch verzwakt. Dit elimineert effectief grensvlakstress tijdens het koelen, waardoor de vorming van rimpels of knikken in de film wordt voorkomen.

“Het poreuze substraat werkt als een kussen,” legde co-correspondende auteur Senior Research Fellow Seong uit Kyung uit, “stress absorberen in plaats van het grafiet te verkruimelen.”

“Om de optimale combinatie te vinden voor het synthetiseren van spiegelachtige grafiet met kreukvrije oppervlakken en millimeterkorrelgroottes, hebben we geëxperimenteerd met verschillende metaalcombinaties,” zei eerste auteur, senior onderzoeker Liyuan Zhang.

Deze omvatten metalen met een hoge oplosbaarheid van koolstof, zoals ijzer, nikkel en kobalt en metalen met hoge smeltpunt zoals palladium, molybdeen, vanadium en wolfraam. De metalen combinatie van nikkel-molybdeen (NI-MO) bleek de beste voorwaarden te bieden.

Het proces maakt ook een ultrasnelle groei mogelijk, waardoor een snelheid van 6,2 lagen per seconde wordt bereikt-meer dan 20 keer sneller dan traditionele methoden-waardoor het geschikt is voor grootgebied en schaalbare productie.

“Bovendien konden de onderzoekers door de metalen folies te vormen die worden gebruikt om de legeringsmelten te vormen, de grafietfilms aanpassen in complexe vormen, zoals hondenbeenmonsters voor mechanische testen,” verklaarde co-auteur, Yongqiang Meng. “Dit niveau van besturing opent de deur naar de fabricage en praktische toepassingen van aangepaste apparaten.”

De eerste co-auteur, Dr. Meihui Wang, merkt op: “De resulterende grafietfilms hebben nieuwe prestatiebenchmarks ingesteld. Mechanische tests toonden een Young’s modulus van 969 GPA en treksterkte van 1,29 GPA, die de theoretische limieten van single-crystal-grafiet en het overschrijden van alle eerder gerapporteerde macroscale synthetische grafieten.

“De films demonstreerden ook een uitzonderlijke thermische geleidbaarheid in het vlak van 2.034 w/m · K-wat die van koper-en elektrische geleidbaarheid zo hoog als 22.500 s/cm. Dit onderzoek zal naar verwachting aanzienlijke rimpeleffecten hebben over verschillende industriële velden door grote en hoogwaardige productie van grafietfilms te hebben.”

Deze studie definieert de limieten van synthetisch grafiet, het bereiken van korrelgroottes op de millimeterschaal – gunstig groter dan die van sterk georiënteerd pyrolytisch grafiet (HOPG) en vergelijkbaar met zeldzame natuurlijke grafietkristallen. In tegenstelling tot natuurlijke materialen bieden de hier geproduceerde films echter nauwkeurig gecontroleerde vorm, dikte en zuiverheid, waardoor een belangrijke sprong voorwaarts in materiaalontwerp en prestaties wordt gemarkeerd.

De potentiële toepassingen zijn breed. Defectvrije, hoogzuivere grafietfilms kunnen thermisch beheer in krachtige elektronica transformeren, zoals AI-chips, dienen als ultrasterke en geleidende componenten in MEMS en sensoren, en wrijvingsloze coatings mogelijk maken. Vooruitkijkend, werkt het team om de productie op te schalen naar films met een meter.

“Wij geloven dat ons fundamentele onderzoek naar grafiet van hoge kwaliteit zal dienen als basis voor diepgaande studies door andere onderzoeksgroepen wereldwijd, en we stellen het voor als een hoeksteen voor toegepast onderzoek met grafiet”, zegt directeur Ruoff.