Grafiet van hoge kwaliteit heeft een uitstekende mechanische sterkte, thermische stabiliteit, hoge flexibiliteit en een zeer hoge thermische en elektrische geleidbaarheid in het vlak. Daardoor is het een van de belangrijkste geavanceerde materialen voor vele toepassingen, zoals fotothermische geleiders die als batterijen in telefoons worden gebruikt. Een speciaal type grafiet, hooggeordend pyrolytisch grafiet (HOPG), is bijvoorbeeld een van de meest gebruikte materialen in laboratoria. Deze uitstekende eigenschappen zijn te danken aan de gelaagde structuur van grafiet, waarbij sterke covalente bindingen tussen de koolstofatomen in de grafeenlagen bijdragen aan uitstekende mechanische eigenschappen, thermische en elektrische geleidbaarheid, terwijl de interactie tussen de grafeenlagen zelf minimaal is. Dit resulteert in een hoge mate van flexibiliteit. Hoewel grafiet al meer dan 1000 jaar in de natuur voorkomt en de kunstmatige synthese ervan al meer dan 100 jaar wordt bestudeerd, is de kwaliteit van grafietmonsters, zowel natuurlijk als synthetisch, verre van ideaal. De grootte van de grootste enkelkristallijne grafietdomeinen in grafietmaterialen is bijvoorbeeld doorgaans minder dan 1 mm, wat een schril contrast vormt met de grootte van veel kristallen zoals kwarts- en siliciumkristallen, die een meter groot kunnen zijn. De zeer kleine afmetingen van enkelkristallijn grafiet zijn te wijten aan de zwakke interactie tussen de grafietlagen, en het is moeilijk om de vlakheid van de grafeenlaag tijdens de groei te behouden, waardoor grafiet gemakkelijk in wanorde breekt met meerdere enkelkristallijne korrelgrenzen. Om dit cruciale probleem op te lossen, hebben emeritus hoogleraar Liu Kaihui van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en zijn medewerkers, professor Liu Kaihui, professor Wang Enge van de Peking Universiteit en anderen, een strategie voorgesteld voor de synthese van dunne enkelkristallijne grafietfilms, tot op de schaal van een inch. Hun methode maakt gebruik van een enkelkristallijne nikkelfolie als substraat, en koolstofatomen worden vanaf de achterkant van de nikkelfolie toegevoerd via een "isotherm oplossings-diffusie-afzettingsproces". In plaats van een gasvormige kartonbron te gebruiken, kozen ze voor een vast koolstofmateriaal om de grafietgroei te bevorderen. Deze nieuwe strategie maakt het mogelijk om in enkele dagen enkelkristallijne grafietfilms te produceren met een dikte van ongeveer 1 inch en 35 micron, oftewel meer dan 100.000 grafeenlagen. Vergeleken met alle beschikbare grafietmonsters heeft enkelkristallijn grafiet een thermische geleidbaarheid van ~2880 W m-1K-1, een verwaarloosbaar gehalte aan onzuiverheden en een minimale afstand tussen de lagen. (1) De succesvolle synthese van grote enkelkristallijne nikkelfilms als ultraplatte substraten voorkomt verstoring van synthetisch grafiet; (2) 100.000 grafeenlagen worden isothermisch gegroeid in ongeveer 100 uur, zodat elke grafeenlaag in dezelfde chemische omgeving en bij dezelfde temperatuur wordt gesynthetiseerd, wat de uniforme kwaliteit van het grafiet garandeert; (3) De continue toevoer van koolstof via de achterzijde van de nikkelfolie zorgt ervoor dat de grafeenlagen continu en zeer snel groeien, ongeveer één laag per vijf seconden.”
Geplaatst op: 09-11-2022