Korkealaatuisella grafiitilla on erinomainen mekaaninen lujuus, lämmönkestävyys, suuri joustavuus ja erittäin korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus tasossa, mikä tekee siitä yhden tärkeimmistä edistyneistä materiaaleista monissa sovelluksissa, kuten puhelimien akkuina käytettävissä fotolämpöjohteissa. Esimerkiksi erityinen grafiittityyppi, erittäin järjestäytynyt pyrolyyttinen grafiitti (HOPG), on yksi yleisimmin laboratorioissa käytetyistä materiaaleista. Nämä erinomaiset ominaisuudet johtuvat grafiitin kerrosrakenteesta, jossa grafeenikerrosten hiiliatomien väliset vahvat kovalenttiset sidokset edistävät erinomaisia mekaanisia ominaisuuksia, lämmön- ja sähkönjohtavuutta, kun taas grafeenikerrosten välinen vuorovaikutus on hyvin vähäistä. Tämä toiminta johtaa suureen joustavuuteen. Vaikka grafiittia on löydetty luonnosta yli 1000 vuotta sitten ja sen keinotekoista synteesiä on tutkittu yli 100 vuotta, sekä luonnollisten että synteettisten grafiittinäytteiden laatu on kaikkea muuta kuin ihanteellinen. Esimerkiksi grafiittimateriaalien suurimpien yksittäisten kiteiden grafiittidomeenien koko on tyypillisesti alle 1 mm, mikä on jyrkässä ristiriidassa monien kiteiden, kuten kvartsi- ja pii-yksittäiskiteiden, koon kanssa. Koko voi saavuttaa metrin mittakaavan. Yksikiteisen grafiitin hyvin pieni koko johtuu grafiittikerrosten välisestä heikosta vuorovaikutuksesta, ja grafeenikerroksen tasaisuutta on vaikea ylläpitää kasvun aikana, joten grafiitti hajoaa helposti useiksi epäjärjestyksessä oleviksi yksikiteisiksi raerajoiksi. Tämän keskeisen ongelman ratkaisemiseksi Ulsanin kansallisen tiede- ja teknologiainstituutin (UNIST) emeritusprofessori ja hänen yhteistyökumppaninsa professori Liu Kaihui, Pekingin yliopiston professori Wang Enge ja muut ovat ehdottaneet strategiaa ohuiden, tuuman kokoisten grafiitti-yksikiteisten kalvojen syntetisoimiseksi. Heidän menetelmässään käytetään substraattina yksikiteistä nikkelikalvoa, ja hiiliatomit syötetään nikkelikalvon takaa "isotermisen liukenemis-diffuusio-laskeumaprosessin" avulla. Kaasumaisen pahvilähteen sijaan he valitsivat kiinteän hiilimateriaalin grafiitin kasvun helpottamiseksi. Tämä uusi strategia mahdollistaa noin 2,5 cm:n ja 35 mikronin paksuisten yksikiteisten grafiittikalvojen eli yli 100 000 grafeenikerroksen tuottamisen muutamassa päivässä. Verrattuna kaikkiin saatavilla oleviin grafiittinäytteisiin, yksikiteisen grafiitin lämmönjohtavuus on ~2880 W m-1K-1, epäpuhtauspitoisuus on merkityksetön ja kerrosten välinen etäisyys on minimaalinen. (1) Suurikokoisten yksikiteisten nikkelikalvojen onnistunut synteesi erittäin tasaisiksi alustoiksi estää synteettisen grafiitin epäjärjestymisen; (2) 100 000 grafeenikerrosta kasvatetaan isotermisesti noin 100 tunnissa, jolloin jokainen grafeenikerros syntetisoidaan samassa kemiallisessa ympäristössä ja lämpötilassa, mikä varmistaa grafiitin tasaisen laadun; (3) Jatkuva hiilen syöttö nikkelifolion kääntöpuolen kautta mahdollistaa grafeenikerrosten jatkuvan kasvun erittäin nopeasti, noin yhden kerroksen viiden sekunnin välein.
Julkaisun aika: 09.11.2022