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加州理工學院葉乃裳、博伊德與吳志毅合作創新方法室溫下開高質石墨烯
加州理工學院葉乃裳、博伊德與吳志毅合作創新方法室溫下開高質石墨烯
2015/6/19 0:49:49 | 浏览:1434 | 评论:0

加州理工學院葉乃裳、博伊德與吳志毅合作創新方法室溫下開高質石墨烯

加州理工學院台裔教授葉乃裳與該校科學家博伊德共同率領研究團隊創新技術,成長低溫石墨烯。(圖/Lance Hayashida/Caltech Office of Strategic Communications

加州理工學院葉乃裳、博伊德與吳志毅合作創新方法室溫下開高質石墨烯

國立台灣大學光電工程學研究所教授吳志毅。(圖/台灣大學)

這項新技術在室溫環境下直接合成石墨烯,將為現今商業產品帶來另一種新的可能,諸如石墨烯的太陽能電池和發光二極體,大型顯示器與根據 2015318日出版的《自然通訊(the Journal Nature Communications ) 》科學期刊報導,加州理工學院California Institute of Technology,簡稱Caltech)台裔教授葉乃裳 (Nai-Chang Yeh) 團隊研究生產石墨烯Graphene,發明了一種新技術,利用電漿增強式化學氣相沉積(plasma-enhanced CVD)方法來成長低溫石墨烯。

這項重大科學突破,是由葉乃裳教授領軍,台灣科技部支持的「龍門計畫」台大光電所吳志毅教授研究團隊提供重要的貢獻。吳志毅以「室溫化學氣相沉積法成長之石墨烯的特性研究及應用」為題,獲得科技部補助,團隊成員林偉翔博士生在計畫下,於葉乃裳實驗進行兩年的研究。他在《自然通訊》的報導中列第二作者。研究團隊的其他成員,包括M.L.Teague和徐承志、陳建彰、羅元彥、鄭文源、蘇維彬、程琮欽及張嘉升。

這是「龍門計畫」國際合作的成功範例,該計畫主要是補助台灣績優研究團隊赴國際知名研究機構進行合作,團隊的博士生或博士後研究人員可停留12年。

這項重大科學突破,深受各界重視,著名全球媒體,包括美國之音-科學世界Voice of America – Science World、美國國家自然科學基金(National Science Foundation)domain-b.comspacedaily.comengineering.com、華爾街日報等,均有專題報導,BBC也製作了兩個小時的專題介紹,即將播出

 軟性電子產品;也可能會給太陽能電池、顯示器的的透明電極、燃料電池的氫離子滲透膜、高品質隔離膜以及柔性電子等,整體帶來翻天覆地的影響,也使得石墨烯的商業化進程又邁出了堅實的一步。

葉乃裳早年畢業於台灣大學,任教於加州理工學院物理系,是該校有史以來取得終身職時最年輕的女性教授,她並擔任卡瓦利奈米科學研究所(Kavli Nanoscience Institute弗萊徹斯基金會(the Fletcher Jones Foundation)共同主任

她表示,只有一個原子厚度的石墨烯擁有許多獨特的性能,其拉伸強度超過鋼的200倍,電子轉換率electron mobility比矽高2030倍,因此在工程和科技領域有著極為廣泛的應用。不過,石墨烯要想達到工業應用,還有很大的難度。其製備以往需在華氏 1800 度或攝氏1000度的高溫下進行,不僅會產生無法控制的較大形變,嚴重影響其固有的屬性,而且製備時間較長,且僅能生長出幾平方毫米的高流動性石墨烯。利用新方法則可以產生幾平方英寸大小的石墨烯,這為其今後在工業化應用上鋪平了道路。

葉乃裳強調:「我們的方法只需一步就能生產出具有高電子轉換率,而幾乎無內部應變的石墨烯,且不需高溫條件。我們試製了幾個大小為幾平方公分的樣品。實驗結果表明,此法可用於工業大量生產。依此情形,最終我們未來會生產出幾平方英寸,甚至更大的石墨烯片。這項技術將為石墨烯的工業化推廣奠定下堅實的基礎。

這個新的生產方法是研究人員偶然發現的。研究團隊中的科學家大衛博伊德(DavidBoyd)表示,因實驗差錯在過度加熱的銅箔上形成了高品質的石墨烯,由另一成員林偉翔 ——他當時是經由龍門計劃從台大到加州理工學院交換研究生—— 注意到這片逾時加熱的銅箔似乎與其他的銅箔不同。林偉翔將此現象告知博伊德,於是他們用拉曼光譜儀——一種用於檢測、識別石墨烯的儀器——對銅箔進行了檢查,發現石墨烯層已經形成,由此才發現了此次的工藝;透過這個新的技術,可以在更短的時間與較低的溫度下,生長大尺度、電子等級的石墨烯。

這種不需加熱的生產方式不僅減少了加工費用,以往的方法中由熱膨脹和收縮所引入的內部缺陷也有所改善。傳統的高溫生長技術不僅要花費數十個小時,還需九到十個不同步驟,葉乃裳說道,而我們的生產技術只需一個5分鐘的步驟,優勢很明顯。

葉乃裳的團隊與一些台灣學者以台大吳志毅教授研院物理研究所張嘉升研究員為主導合作之後又發現,這種方法生產的石墨烯質量也高於傳統方法:新方法生產的石墨烯具有更少的缺陷,因此具有更高的力學強度;此外,它的電子轉換率達到了目前人工合成石墨烯的最高值。

他們認為,這項技術成功的關鍵在於氫等離子與實驗箱中的空氣分子通過化學反應生成了含氰基的CN 自由基——一種脫除了自身電子的分子。這些分子猶如微小的超級刷子,可有效除去銅表面的雜質,為石墨烯的生長提供一個純淨的表面。

研究還發現,這項生產技術可改變石墨烯的生長方式。在傳統的熱工過程中,石墨烯片是通過沉積物的隨機拼湊而成。新技術生產的石墨烯有序程度更高。石墨烯的沉積物先形成一行,再形成緊密連接的片狀。這樣的石墨烯力學和電氣性能的完整性也更好。

對原始的氫等離子體技術進行改進後,這項技術將為電子製造業敞開新的大門。葉乃裳說道。比如,這種缺陷更少的石墨烯片可使材料免於受外界環境的影響而降解。此外,我們還可能生產出更大片的石墨烯,並將其用於製造太陽能電池和大屏幕顯示器的透明導電電極等。在未來,你甚至可能用上太陽能電池發電的石墨烯手機屏顯示器(display)

她還提到了另外一個可能性:通過在石墨烯結構中人為地引入缺陷控制其力學性能和電學性能。如果能夠實現石墨烯的奈米級拉伸,你就能設計它的具體性質。但是要實現這項工作,你需要一片十分光滑且無內部缺陷的石墨烯,葉乃裳說道,如果你的石墨烯片上隨處可能存在缺陷,你就無法實現這項工作。

石墨烯的潛在應用範圍十分廣泛,包括:單分子氣體偵測、石墨烯奈米帶、積體電路、石墨烯電晶體、透明導電電極、導熱材料/熱介面材料、場發射源及其真空電子器件、超級電容器、海水淡化、太陽能電池、石墨烯生物器件、抗菌物質及石墨烯感光元件等。

根據市場研究公司IDTechEx的獨立研究報告,石墨烯是在2014年是一個2000萬美元左右的市場,但2024年它可能成長為一個3.9億美元市場。

一旦吳志毅與葉乃裳台美合作「龍門計畫」研究團隊的這項新技術,投入商業化大量生產,相信產值必能在IDTechEx的預測值上大幅度的提升,影響更深遠。

加州理工學院葉乃裳、博伊德與吳志毅合作創新方法室溫下開高質石墨烯

這是石墨烯在銅表面生長的早期圖片。圖中的六邊形為石墨烯的原子核。從左至右,圖的放大率依次增大,比例尺分別為10μm,1μm, 以及200nm。這些六邊形緊密排列從而形成石墨烯片。

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