室温下制造石墨烯，质量高用时短

石墨烯在铜基上早期生长的图像。石墨烯成核为六边形，并组成的线条，从左至右大小显著变大，从左至右的刻度尺为10微米，1微米，以及200纳米。六边形的石墨烯持续生长直到成为一层无缝的石墨烯。

加州理工大学发明了一种新的在室温下制造石墨烯的技术，这将为可商业化的石墨烯基太阳能电池，石墨烯基二极管，大型平板显示屏以及柔性电子设备铺平道路。

“使用这种新科技，我们可以在更低的温度，更短的时间里生长出电子级别的石墨烯。”加州理工的科学家，发明这种方法的DavidBoyd如是说到。

Boyd是本篇发表在《自然.通信》上的文章的第一作者，本文讲述了新的石墨烯制造过程以及产品的优秀性能。

石墨烯以独特的性能可以在非常广阔的科学与工程领域引发革命，这包括比钢铁强两百倍的拉应力强度以及比硅要好两到三个数量级的电子移动性。电子移动性测量的是电子穿越该材料表面的能力。

但是，要在工业尺度上达到这种性能是被证明非常复杂的。原有的电子加工石墨烯技术要求非常高的温度---1000摄氏度。并且高温下的石墨烯倾向于生长成大的，无法控制其分布的内应力，这相当于是一种破坏性的变形，将会严重影响到它的本征性能。

“之前，人们只能一次生成几平方毫米的高电子流动性的石墨烯，并且将要经过非常复杂的步骤，需要很多时间，要求很高的温度。“加州理工的物理学教授Nai-ChangYgh，也是科维理纳米科学研究所的弗莱彻·琼斯基金会联席董事，这篇文章的共同作者写道：“我们的方法可以持续的生产高流动性石墨烯，并且几乎不会形成应力，这是一种一步到位，不需要高温，只需要几分钟的高效方法。。我们可以制造几个平方厘米大小的样品，并且因为我们的方法是可伸缩的，我们相信我们可以在更大的尺度上(几平方英寸)制造样品，这将为实现大尺寸应用铺平道路。”

新的制造工艺并不会被发现如果不是因为一系列幸运的事件。2012年，Boyd当时在之后成为DavidGoodwin的实验室中工作，那是一位加州理工的机械工程以及应用物理的教授，正在试图重现他在一篇文章上读到的石墨烯制造工艺。在这个过程中，加热的铜悲痛来催化石墨烯的生长。”那时正是午餐时间，“现在在Yeh的实验室工作的Boyd说道：“但是那个配方并没有奏效。看起来那是一个非常简单的工艺。我比原实验拥有更好的设备，所以对我来说，这应该更加简单。”

在一次他重现实验的尝试中，手机响了。Boyd接电话的时候，他无意间让铜箔加热了更长的时间，之后才将他暴露在甲烷气体中，甲烷气体将会提供石墨烯生长需要的碳原子。

之后Boyd使用Raman光谱，一种用来探测以及辨别石墨烯的技术，来检查铜板时，他发现石墨烯层形成了。“这对我来说醍醐灌顶，“Boyd说到。”我发现石墨烯生成的奥秘就在于没有氧化铜的非常洁净的表面。”

Boyd回忆到，他当时就想到了RobertMillikan，加州理工1921到1945年的校长以及诺贝尔获奖物理学家，当他开展他1916年非常著名的测量普朗克常量时的实验的时候，也需要努力去除氧化铜，这对测量一个光子的能量非常重要，Boyd想他是否像Millikan一样可以找到一种在真空条件下清洁铜的方法。

Boyd着懂啊的解决方法是使用一种在60年代发明的系统来生成氢等离子流，也就是将电子从质子分开的氢气流，来在很低的温度下移除氧化铜。他第一次实验就显示，这种方法不仅可以移除氧化铜，同时也可以同时生产出石墨烯。

一开始，Boyd并不能找出这项技术这么成功的原因。他之后发现，有两个漏的阀门让一些甲烷进入了实验环境中。阀门正好让可以使石墨烯生长的甲烷进入了。

这种可以不用加热就可以生产石墨烯的方式不仅可以减少生产成本，也可以产出更好的产品，因为不会因为热胀冷缩而引入更多的缺陷。这同时也消除了一些后期步骤。”一般的来说，原有的高温生长技术会用到9到10步，以及10个小时来生成一批高电子流动性石墨烯。”Yeh说道：“我们的方法只有一步，并且只用5分钟。”

Yeh的研究小组和他的国外同事最近发现了用新方法制造出的石墨烯比传统方式制造的石墨烯质量要好。更少的缺陷提供了更强的强度，并且在合成石墨烯中有最好的电子流动性。

研究小组觉得他们的技术这么有效率的原因是因为等离子氢与反应室中的气体发生化学反应生成了氰基自由基，被电子联结起来的碳氮分子。就像很小的超强清洁剂一样，他们很有效率的将铜表面的缺陷擦除，并提供一个供石墨烯生长的初始表面。

科学家们发现，石墨烯会以一种特殊的方式生长。用传统方式生成的石墨烯将以随机方式沉积。但是用等离子技术生成的石墨烯更加有序一些。石墨烯先沉积成线之后再成长成无缝的石墨烯片层，这可以增强他们的机械以及电性能。

一种更大尺寸上的等离子技术可以打开新的电子制造方法的大门，Yeh说到。举例来说，比较完美的石墨烯片层可以用作防止材料分解的保护材料。另一种可能性就是比较大的石墨烯可以用来做太能能电池以及显示器的透明电极。“在未来，你可以拥有石墨烯的电话屏幕，并且由他自己提供能源。”Yeh说到。

另一种可能性，她说到，是可以将缺陷倒入石墨烯片层结构中去创造特别的力学以及电学特性。“如果你可以在纳米尺度下设计出形变的石墨烯，你就可以设计他的性质。但是你必须先要有一个很完美的石墨烯层。”Yeh表示：“你不能从无法控制的缺陷里设计出可以控制的性能。”