고품질 흑연은 뛰어난 기계적 강도, 열 안정성, 높은 유연성, 그리고 매우 높은 평면 열전도율과 전기전도율을 지니고 있어 휴대전화 배터리에 사용되는 광열 전도체와 같은 다양한 응용 분야에서 가장 중요한 첨단 소재 중 하나입니다. 예를 들어, 고도로 질서정연한 열분해 흑연(HOPG)은 실험실에서 가장 흔하게 사용되는 소재 중 하나입니다. 이러한 우수한 특성은 흑연의 층상 구조 때문인데, 그래핀 층의 탄소 원자 사이의 강한 공유 결합은 뛰어난 기계적 특성, 열전도율 및 전기전도율에 기여하는 반면, 그래핀 층 사이의 상호작용은 매우 적어 높은 유연성을 나타냅니다. 흑연은 1000년 이상 자연에서 발견되었고, 100년 이상 인공 합성 연구가 진행되어 왔지만, 천연 및 합성 흑연 시료의 품질은 아직 이상적인 수준과는 거리가 멉니다. 예를 들어, 흑연 소재에서 가장 큰 단결정 흑연 도메인의 크기는 일반적으로 1mm 미만으로, 석영 단결정이나 실리콘 단결정과 같은 많은 결정의 크기와는 극명한 대조를 이룹니다. 이러한 결정의 크기는 미터 규모에 이를 수 있습니다. 흑연 단결정의 크기가 매우 작은 이유는 흑연 층 사이의 상호작용이 약하고, 성장 과정에서 흑연 층의 평탄도를 유지하기 어렵기 때문입니다. 따라서 흑연은 무질서하게 여러 개의 단결정 결정립 경계로 쉽게 분열됩니다. 이러한 핵심 문제를 해결하기 위해 울산과학기술대학교(UNIST) 명예교수와 그의 공동 연구자인 류카이후이 교수, 베이징대학교 왕엥거 교수 등은 인치 규모까지 얇은 흑연 단결정 박막을 합성하는 전략을 제안했습니다. 그들의 방법은 단결정 니켈 호일을 기판으로 사용하고, 탄소 원자는 "등온 용해-확산-증착 공정"을 통해 니켈 호일 뒷면에서 공급됩니다. 기체 상태의 판지 공급원 대신, 흑연 성장을 촉진하기 위해 고체 탄소 재료를 선택했습니다. 이 새로운 전략을 통해 두께가 약 1인치, 35마이크론인 단결정 흑연 필름, 즉 10만 개 이상의 그래핀 층을 며칠 만에 생산할 수 있습니다. 기존의 모든 흑연 샘플과 비교했을 때, 단결정 흑연은 ~2880 W m-1K-1의 열전도율, 미미한 불순물 함량, 그리고 층간 최소 거리를 가지고 있습니다. (1) 초평탄 기판으로서 대형 단결정 니켈 필름의 성공적인 합성은 합성 흑연의 무질서를 방지합니다. (2) 약 100시간 동안 등온 조건에서 10만 층의 그래핀을 성장시키므로 각 그래핀 층이 동일한 화학적 환경과 온도에서 합성되어 균일한 품질의 흑연을 보장합니다. (3) 니켈 호일 뒷면을 통한 탄소의 지속적인 공급으로 그래핀 층이 약 5초마다 한 층씩 매우 빠른 속도로 연속적으로 성장할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 11월 9일