Hochwertiger Graphit verfügt über hervorragende mechanische Festigkeit, thermische Stabilität, hohe Flexibilität und eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit in der Ebene, was ihn zu einem der wichtigsten modernen Materialien für viele Anwendungen macht, beispielsweise als photothermische Leiter, die als Batterien in Telefonen verwendet werden. Beispielsweise ist ein spezieller Graphittyp, hochgeordneter pyrolytischer Graphit (HOPG), eines der am häufigsten in Laboren verwendeten Materialien. Diese hervorragenden Eigenschaften sind auf die Schichtstruktur des Graphits zurückzuführen, in der starke kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in den Graphenschichten zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften sowie hervorragender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit beitragen, während die Wechselwirkung zwischen den Graphenschichten sehr gering ist. Diese Wirkung führt zu einem hohen Maß an Flexibilität. Obwohl Graphit in der Natur seit über 1000 Jahren vorkommt und seine künstliche Synthese seit über 100 Jahren untersucht wird, ist die Qualität von Graphitproben – sowohl natürlichen als auch synthetischen – alles andere als optimal. Beispielsweise beträgt die Größe der größten einkristallinen Graphitdomänen in Graphitmaterialien typischerweise weniger als 1 mm, was in starkem Kontrast zur Größe vieler Kristalle wie Quarz- und Silizium-Einkristallen steht. Die Größe kann die Größenordnung eines Meters erreichen. Die sehr geringe Größe von einkristallinem Graphit ist auf die schwache Wechselwirkung zwischen den Graphitschichten zurückzuführen. Da die Ebenheit der Graphenschicht während des Wachstums schwer aufrechtzuerhalten ist, zerfällt Graphit leicht in mehrere ungeordnete einkristalline Korngrenzen. Um dieses zentrale Problem zu lösen, haben Professor Emeritus vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) und seine Mitarbeiter Prof. Liu Kaihui, Prof. Wang Enge von der Peking-Universität und andere eine Strategie zur Synthese von Graphit-Einkristallen mit einer Dicke von mehreren zehn Millimetern bis hinunter in den Zollbereich vorgeschlagen. Bei ihrer Methode verwenden sie eine einkristalline Nickelfolie als Substrat, und Kohlenstoffatome werden von der Rückseite der Nickelfolie durch einen „isothermen Lösungs-Diffusions-Abscheidungsprozess“ zugeführt. Anstelle einer gasförmigen Pappquelle entschieden sie sich für ein festes Kohlenstoffmaterial, um das Graphitwachstum zu fördern. Diese neue Strategie ermöglicht die Herstellung von Einkristallgraphitfilmen mit einer Dicke von etwa 1 Zoll und 35 Mikrometern oder mehr als 100.000 Graphenschichten in wenigen Tagen. Verglichen mit allen verfügbaren Graphitproben hat Einkristallgraphit eine Wärmeleitfähigkeit von ~2880 W m-1K-1, einen unbedeutenden Gehalt an Verunreinigungen und einen minimalen Abstand zwischen den Schichten. (1) Die erfolgreiche Synthese von Einkristallnickelfilmen großer Größe als ultraflache Substrate vermeidet die Unordnung des synthetischen Graphits; (2) 100.000 Graphenschichten werden in etwa 100 Stunden isothermisch gezüchtet, sodass jede Graphenschicht in der gleichen chemischen Umgebung und bei der gleichen Temperatur synthetisiert wird, was die gleichmäßige Qualität des Graphits sicherstellt; (3) Die kontinuierliche Zufuhr von Kohlenstoff durch die Rückseite der Nickelfolie ermöglicht ein kontinuierliches, sehr schnelles Wachstum der Graphenschichten, etwa eine Schicht alle fünf Sekunden.“
Beitragszeit: 09.11.2022