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中科院化学所在石墨烯可控制备和性能研究方面取得系列进展

2013-05-22    阅读详细内容

   高质量石墨烯的可控制备是各种基础研究和应用开发的基础,是迫切需要进行深入研究的重大基础科学问题之一。这一研究领域涉及对其大小、形貌、边界、晶体结构的完美程度、掺杂等方面的控制,从而实现对其电学性能调控。

  在中国科学院、科技部和国家自然科学基金委的大力支持下,针对这些科学问题,中科院化学研究所有机固体实验室的相关科研人员在已有工作的基础上,在石墨烯的可控制备和性能研究方面取得重要进展,有关结果发表在Adv. Mater., NPG Asia Mater., J. Am. Chem. Soc.和Nat. Commun.等杂志上。

  介电层上直接生长石墨烯。化学气相沉积法(CVD)因兼有高质量和宏量的优点已成为石墨烯制备的最重要的方法之一。但利用这种方法制备的石墨烯一般都需要转移到其它介电层上,才能制备石墨烯器件和电路,转移过程将带来石墨烯破损、褶皱、污染以及材料浪费等问题。因此,能否在介电层上直接生长石墨烯就具有重要的科学意义和巨大的技术需求。石墨烯在介电层上直接生长与目前硅电子学的加工工艺兼容,可以直接用于器件的制备和组装。

  前期工作中,有机固体院重点实验室的研究人员发明了氧辅助法,在二氧化硅绝缘材料上直接制备了石墨烯薄膜(J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 17548),随后又发现可以通过两段化学气相沉积方法,控制石墨烯的成核点和晶区尺寸,实现了高质量石墨烯薄膜在氮化硅表面上的直接生长。制备的石墨烯薄膜中石墨烯畴晶的尺寸达1μm。薄膜具有高的电学性能,其迁移率在空气中可以达到1510 cm2V-1s-1,在氮气中可以达到1518 cm2V-1s-1。这些性能相比直接生长在二氧化硅基底上的石墨烯薄膜提高了两倍,已经高于部分金属催化石墨烯的性能。该研究成果发表在《先进材料》上(Adv. Mater., 2013, 25,992),并被选为内封面 (图1)。

 

图1 《先进材料》内封面

美国科学家使用石墨烯油墨打印出高导电柔性电极

2013-05-06    阅读详细内容

 

  据物理学家组织网近日报道,美国西北大学材料科学与工程学院研究人员使用含有微小石墨烯薄片油墨,以喷墨打印模式,打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极,未来有可能生产低廉、大幅、可折叠且精美细致的电子设备。该研究成果发表在最新一期《物理化学快报》上。

  研究人员伊桑·B·西科尔解释说,喷墨打印可低成本、大面积地打印出柔性基底,是生产电子元件的一个有吸引力的方法。先前的研究已经喷墨打印出晶体管、太阳能电池、发光二极管、传感器等各种元器件,但打印高导电电极仍然是一个挑战,因为其要求非常精细的分辨率。而新研究转向具有高导电性、化学性稳定的石墨烯,希望石墨烯可作为油墨打印出电极。

  石墨烯打印最重要步骤之一是获得大量的石墨烯。目前通过剥离生产纯净石墨烯的方法中,通常使用的溶剂和表面活性剂会留下残余物,从而降低其导电率。另一个问题是,小的石墨片对印刷稳定性的要求很高,且其大量片状交界处也降低了导电性。

  为克服这些问题,研究人员开发出一种新方法,可在室温中使用乙醇作为溶剂和乙基纤维素作为稳定的表面活性剂,乙醇和乙基纤维素都不会产生残留物。新方法产生出的石墨烯黑色粉末中,石墨烯薄片的尺寸约为50×50平方纳米,厚度约为2纳米。虽然这种小片状尺寸的石墨烯间会有无数雪花状的连接,但与其他表面活性剂相比,乙基纤维素聚合物的高稳定大大减少了薄片之间的电阻。

石墨烯变为蓄电池电极,可用光驱实现“量产”

2013-04-22    阅读详细内容

  作为碳材料的一种,石墨烯很有希望成为蓄电池的电极材料。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)和日本物质材料研究机构(NIMS)各自都开发出了使用石墨烯作为电极、能量密度与充电电池相当的电容器。两者在制造石墨烯时都开发了独自的方法,有利用制造消费类产品的技术的,也有在石墨烯中加入碳纳米管(CNT)的。

在DVD上成膜的氧化石墨(黄金色)上,用DVD激光形成了图案。激光照射到的部分变成了多层石墨烯,颜色也变成黑色

利用市售的光盘驱动器

  UCLA表示,20美元左右的低价CD/DVD光驱是制作石墨烯电极的出色“制造装置”(图1)。具体的制造方法如下:首先,将石墨粉末氧化,变成“氧化石墨(GO)”粉,然后将其混入水溶液中,均匀涂在PET(polyethyleneterephthalate)等薄膜基板上注1)。接下来,将其烘干后贴在CD/DVD光盘上,并放入光驱中,用刻录CD时使用的激光进行照射注2)。


图1:光驱变为石墨烯的“制造装置”
UCLA开发的石墨烯电极材料的制造方法,以及采用该方法制造的柔性充电电池。在CD或DVD上贴上氧化石墨(GO)薄膜,将其放入CD/DVD的光驱,用红外线激光照射后,GO可变成多层石墨烯(LSG)。

注1) 据说薄膜基板也可用铝(Al )箔及复印纸等代替。

注2) 使用的激光是用来刻录CD的波长为788nm的红外光。

  GO被激光照射后,会被还原并剥离,变成多层石墨烯片重叠的“LSG(laser scribed graphene)”状态,颜色也会由黄金色变成黑色。最后将附有石墨烯的薄膜基板从光盘上剥离下来,便可将其用于电容器或充电电池。UCLA用这种方法试制出了面积为1cm2,厚度仅为68μ~82μm的柔性电化学电容器(EC)。

  UCLA尝试了多种材料作为这种薄型EC的电解液,包括(1)磷酸、(2)由磷酸与聚乙烯醇(PVA)树脂混合而成的凝胶状物质、(3)离子液体。据UCLA介绍,这些电解液均在保持电容器较高输出功率密度的情况下,实现了与锂离子充电电池相当的能量密度。

  尤其是电解液采用离子液体的EC,单位体积的最大能量密度约为1.36kWh/L,单位体积的最大输出功率密度约为20kW/L,这样的性能分别与薄型锂离子充电电池的能量密度以及铝电解电容器的输出功率密度相当。

兼顾高质量和低成本

此前,研究人员为了把碳材料用作充电电池的电极做过很多尝试,CNT等被视为前景广阔的材料。但是,CNT的价格较高,实用化步伐较慢。而电极用石墨烯一般能以低于CNT的成本制造,而且,石墨烯还有望具备高于CNT的比表面积及导电率,因此作为超过CNT的电极材料而备受关注。

  但是,此前石墨烯电极存在输出功率密度低的问题。主要原因是,GO的还原与剥离不够充分,采用湿法工艺还原的石墨烯片凝聚在一起,导致电极的导电率降低。而此次UCLA采用的方法是先涂上GO溶液,然后再采用干法工艺进行还原、剥离。可以实现充分的还原和剥离,同时还解决了凝聚问题。另外,还能以更低的成本量产。理由是激光照射法与制造大面积多晶硅的“激光退火法”十分接近。

通过添加CNT实现高性能

  如果只是将UCLA制造的EC作为单纯的电容器或充电电池使用,现有低价产品也能实现同等水平的性能。日本物质材料研究机构(NIMS)通过在石墨烯中添加CNT来制作电极,使输出功率密度与能量密度达到了前所未有的高水平(图2)。

英国欲建造领军全球的石墨烯研究中心

2013-03-15    阅读详细内容

  英国正在推进被称为“神奇材料”的石墨烯的商业化进程。此项工作不久将在一个新的国家级研究机构——国家石墨烯研究所(NGI)——中开始进行,这也使该机构有望成为世界领先的石墨烯开发和开采中心。

  石墨烯发现于2004年,该项研究于2010年获得了诺贝尔物理学奖。而位于英格兰西北的曼彻斯特大学正是最初分离石墨烯的地方,该大学也将成为投资6100万英镑建成的新机构的所在地。同时,其他5所大学以及一些重要的公司也将加入进来,共同致力于这一重要的开发计划。

  8年前,曼彻斯特大学的两位教授Andre Geim和Kostya Novoselov第一次成功分离出石墨烯材料,这也使得该校成为石墨烯研究领域的焦点。

事实上科学家从1947年便开始了这项研究,并提出自由形态的石墨烯不稳定,因此其电势也是不确定的。这两位曼彻斯特大学的研究人员后来证明,当被分离时,石墨烯具有完全相反的性质,他们也因此获得了成功。这一成功被认为预示了二维材料(特别是石墨烯)研究的新起点。Geim和Novoselov则由于其开创性的工作而获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

  曼彻斯特大学如今预言,石墨烯将“彻底改变21世纪”。Geim和Novoselov关于石墨烯分离的科学论文,使得各国研究人员都到这里来学习如何制造这种材料,并且使探索石墨烯独特电子特性的工作“火热”起来。

  据介绍,石墨烯是只有一个原子厚的碳片,或者类似于构成铅笔的“铅”芯的材料——石墨,但它同时具有破纪录的机械强度和电子特性。

  一位曼彻斯特大学的发言人指出:“这是已知最薄的材料,但也是最坚硬的材料之一。它的导电效率与铜相当,而其导热性能胜过所有其他材料。石墨烯几乎是完全透明的,但其密度却很大,即使是最小的氦原子也不能穿过它。”

  如今,各国都在尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子领域获得潜在应用的专利。为此,英国已经提供了5000万英镑的投资,力图使这种材料在未来几十年里从实验室进入生产线和市场。英国努力争取的这一主宰“神奇材料”未来的行动将由NGI进行策划——该机构计划于2015年在曼彻斯特大学建成。该中心最初将创造约100个就业机会,并有望在英国创造更多的就业机会。

石墨烯超级电容器数秒内完成手机充电 或引发电池革命

2013-03-04    阅读详细内容

  [导读]目前,研究人员最新研制一种新型电池,可在数秒之内对手机或者汽车充电。其充电和放电速度是普通电池的上千倍。

  据英国每日邮报报道,目前,美国科学家最新研制一种超级电池,它们被称为微型石墨烯超级电容,其充电和放电速度比普通电池快1000倍。这种超级电池是采用单原子厚度的碳层构成,能够很容易制造并整合成为器件,未来有望制造更小的手机。

石墨烯电池

 

科学家使用DVD烧录技术制造的微型超级电池,其充电和放电能力是普通电池的上千倍

电池

这种新型电池技术可显著改变电池设计,使电池变得更小,更易于器件整合

  研究小组称,这项技术突破能够在最短时间内对手机和汽车快速充电,同时可用于制造体积较小的器件。美国加州大学洛杉矶大学材料科学和工程系教授理查德-卡恩说:“集合电子电路的能量存储单元的设计制造存在着挑战,经常局限于整体系统的微型化。”

  为了研制这种微型超级电池,研究人员使用二维石墨烯层,在第三维立体层面其厚度仅有单个原子。同时,研究小组发现使用一种标准DVD烧录技术能够很容易制造这种新型电池。

  卡恩说:“制造微型超级电容的传统方法涉及到密集型光刻技术,但被证实很难制造成本低廉的器件,因此在商业应用领域受限。目前,我们基于适用于大众的光速写DVD烧录技术,可以仅用部分传统装置成本制造出石墨烯微型超级电容。使用这种技术,我们利用廉价材料仅不足30分钟在一个光盘上制造100多个微型超级电池。”

未来将成主流 革命性石墨烯处理器问世

2012-04-10    阅读详细内容

  波兰的Digital Core Design是全球知名的设计实验室,该机构日前宣布,已经开发出全球首款采用石墨烯(Graphene)制造的处理器BYT-ON。 这种被应用在BYT-ON处理器中的架构称之为CISKoRISK 2nd Generation──它能以99.13%接近光速的速度来执行所有的操作程序,而且功耗要比等效的传统硅元件减少99.85 %。

德国科学家成功测量石墨烯内光电行为

2012-02-03    阅读详细内容

德国慕尼黑工业大学的科学家开发出一种方法,能以时间分辨石墨烯中超高速光电流的形成,测量其时间动态。此外,他们还发现石墨烯可以放射太赫兹辐射。

石墨烯三维网络结构材料等成果入选2011年度“中国科学十大进展”

2012-02-02    阅读详细内容

2011年度“中国科学十大进展”是:(1)天宫一号与神舟八号成功实现交会对接;(2)利用强激光成功模拟太阳耀斑的环顶X射线源和重联喷流;(3)将小鼠成纤维细胞成功转化为功能性肝细胞样细胞;(4)显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱;(5)设计出兼具低场高灵敏和高场大磁电阻的硅基磁电阻器件;(6)揭示梯度纳米晶铜本征塑性变形机制;(7)揭示Tet双加氧酶在哺乳动物表观遗传调控中的重要作用;(8)利用化学气相沉积法制备出石墨烯三维网络结构材料;(9)阐明冰期-间冰期印度夏季风变迁的动力学机制;(10)实现碳纳米管的高效光伏倍增效应。
 

《Nature》 关于石墨烯微片应用的报道

2011-09-23    阅读详细内容

Nature magazine recently hosted top graphene innovators for a conference titled Graphene: The Road to Applications in Cambridge, MA. The goal of the conference was to temporarily leave aside academic discussions on graphene’s electrical properties and explore real-world prospects for graphene-enabled products, and. One significant conclusion reached was that graphene nanoplatelets have consistently shown progress in performance (electrical, mechanical, thermal), functionality, and scalability. The top platelet developers were all in attendance: Angstron Materials*, Vorbeck Materials*, and XG Sciences*; and all outlined future plans during the conference’s panels and speeches.

美国研发锂离子交换电池 电动车充电仅一分钟

2011-09-15    阅读详细内容
美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。

 

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