据报道，俄罗斯研究人员提出了首个以一氧化碳为碳源的石墨烯合成技术。这是一种快速、廉价的生产高质量石墨烯的方法，设备相对简单，可用于电子电路、气体传感器、光学等领域。

这项研究由来自斯科尔科沃科技学院（Skoltech）、莫斯科物理技术学院（MIPT）、俄罗斯科学院固体物理研究所、阿尔托大学等机构的科学家们进行。研究成果已在著名的《先进科学》杂志上发表。

化学气相沉积（CVD）是合成石墨烯的标准技术，石墨烯是一种蜂窝排列的单原子厚的碳原子片，具有无与伦比的性能，可用于电子应用等。CVD通常涉及碳原子从气体分子中分离出来，在真空室中以单分子层的形式沉积在基材上。铜是一种常用的基底，而所用的气体一直是碳氢化合物：甲烷、丙烷、乙炔、烈酒等。

“从一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了，因为一氧化碳是生长单壁碳纳米管最方便的碳源之一。我们有近20年的一氧化碳工作经验。然而，石墨烯的第一次实验并不成功，我们花了很长时间才了解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于完全的催化分解，这使我们能够在环境压力下实现单层石墨烯大晶体的自限性合成。”该研究的首席研究员，Skoltech教授Albert Nasibulin说。

“这个项目是基础研究如何使应用技术受益的杰出例子之一。由于对石墨烯形成和生长的深层动力学机制的理解得到了理论和实验的验证，导致大石墨烯晶体形成的优化条件变得可行，”该论文的合著者，Skoltech的高级研究科学家Dmitry Krasnikov强调。

据悉，这种新方法得益于所谓的自我限制原则。在高温下，当一氧化碳分子接近铜基体时，它们倾向于分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一层结晶碳沉积下来，并将气体与基底分开，这种趋势就会消退，所以这个过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以自我限制的方式运作，但程度较轻。

该研究论文的第一作者、Skoltech的Artem Grebenko说，“我们使用的系统有许多优点：得到的石墨烯更纯，生长更快，形成更好的晶体。此外，通过将氢气和其他爆炸性气体完全排除在生产过程中，这种改进可以防止事故的发生。”

该方法排除了燃烧风险的事实意味着不需要真空。该设备在标准压力下工作，使其比传统的CVD设备简单得多。简化的设计反过来导致了更快的合成。Grebenko说：“从取一块裸铜到拉出石墨烯，只需要30分钟。”

由于不再需要真空，设备不仅工作得更快，而且也变得更便宜。研究人员强调，“一旦你放弃产生超高真空的高端硬件，你实际上可以组装我们的‘车库解决方案’，成本不超过1000美元。”

研究人员还强调了最终材料的高质量：“每当一种新的石墨烯合成技术被提出时，研究人员必须证明它能产生他们声称的效果。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的确实是高档石墨烯，可以与其他气体通过CVD产生的材料相竞争。由此产生的材料是结晶的、纯的，并且可以大到足以用于电子产品。”

编辑/范辉