מחקר חדש מגלה סרטי גרפיט טובים יותר

לגרפיט איכותי חוזק מכני מעולה, יציבות תרמית, גמישות גבוהה ומוליכות תרמית וחשמלית גבוהה מאוד במישור, מה שהופך אותו לאחד החומרים המתקדמים החשובים ביותר עבור יישומים רבים כגון מוליכים פוטותרמיים המשמשים כסוללות בטלפונים. לדוגמה, סוג מיוחד של גרפיט, גרפיט פירוליטי מסודר מאוד (HOPG), הוא אחד הנפוצים ביותר במעבדות. חומר. תכונות מצוינות אלו נובעות מהמבנה השכבתי של הגרפיט, שבו קשרים קוולנטיים חזקים בין אטומי הפחמן בשכבות הגרפן תורמים לתכונות מכניות מצוינות, מוליכות תרמית וחשמלית, בעוד שאינטראקציה מועטה מאוד בין שכבות הגרפן. הפעולה מביאה לרמה גבוהה של גמישות. גרפיט. למרות שגרפיט התגלה בטבע במשך יותר מ-1000 שנה והסינתזה המלאכותית שלו נחקרה במשך יותר מ-100 שנה, איכות דגימות הגרפיט, טבעיות וסינתטיות כאחד, רחוקה מלהיות אידיאלית. לדוגמה, גודל תחומי הגרפיט הגדולים ביותר של גביש יחיד בחומרי גרפיט הוא בדרך כלל פחות מ-1 מ"מ, בניגוד מוחלט לגודלם של גבישים רבים כגון גבישי קוורץ יחידים וגבישי סיליקון יחידים. הגודל יכול להגיע לקנה מידה של מטר. הגודל הקטן מאוד של גרפיט חד-גבישי נובע מהאינטראקציה החלשה בין שכבות הגרפיט, והשטיחות של שכבת הגרפן קשה לשמירה במהלך הגידול, כך שהגרפיט נשבר בקלות למספר גבולות גרגירים של גביש יחיד באי-סדר. כדי לפתור בעיה מרכזית זו, פרופסור אמריטוס מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה באולסן (UNIST) ועמיתיו פרופ' ליו קאי-הוי, פרופ' וואנג אנגה מאוניברסיטת פקינג ואחרים הציעו אסטרטגיה לסינתזה של שכבת גבישים בודדים דקה של גרפיט בסדר גודל, עד לקנה מידה של אינץ'. השיטה שלהם משתמשת בנייר כסף ניקל חד-גבישי כמצע, ואטומי פחמן מוזנים מגב נייר הכסף באמצעות "תהליך איזותרמי של המסה-דיפוזיה-שקיעה". במקום להשתמש במקור קרטון גזי, הם בחרו בחומר פחמן מוצק כדי להקל על גידול הגרפיט. אסטרטגיה חדשה זו מאפשרת לייצר שכבות גרפיט חד-גבישיות בעובי של כ-1 אינץ' ו-35 מיקרון, או יותר מ-100,000 שכבות גרפן תוך מספר ימים. בהשוואה לכל דגימות הגרפיט הזמינות, לגרפיט גבישי יחיד יש מוליכות תרמית של כ-2880 W m-1K-1, תכולה זניחה של זיהומים, ומרחק מינימלי בין השכבות. (1) סינתזה מוצלחת של שכבות ניקל גבישי יחיד בגודל גדול כמצעים שטוחים במיוחד מונעת אי-סדר של גרפיט סינתטי; (2) 100,000 שכבות של גרפן גדלות בצורה איזותרמית בכ-100 שעות, כך שכל שכבת גרפן מסונתזת באותה סביבה כימית וטמפרטורה, מה שמבטיח את האיכות האחידה של הגרפיט; (3) האספקה הרציפה של פחמן דרך הצד האחורי של נייר הניקל מאפשרת לשכבות הגרפן לגדול ברציפות בקצב גבוה מאוד, בערך שכבה אחת כל חמש שניות.