Высокий

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 10257 (2015) Цитировать эту статью

19 тысяч доступов

137 цитат

51 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы представляем конструкцию реактора с концентрическими трубками (КТ) для химического осаждения из паровой фазы (CVD) на гибких подложках и его применение для непрерывного производства графена на медной фольге. В реакторе CTCVD тонкая подложка из фольги спирально обернута вокруг внутренней трубки и проходит через зазор между концентрическими трубками. Мы используем стендовый прототип машины для синтеза графена на медных подложках при скорости перемещения от 25 мм/мин до 500 мм/мин и исследуем влияние параметров процесса на однородность и покрытие графена на непрерывно движущейся фольге. На более низких скоростях образуется высококачественный монослойный графен; на более высоких скоростях наблюдается быстрое зарождение небольших графеновых доменов, однако слияние предотвращается из-за ограниченного времени пребывания в системе CTCVD. Мы показываем, что плавный изотермический переход между восстановительной и углеродсодержащей атмосферой, обеспечиваемый за счет впрыска углеродного сырья через радиальные отверстия во внутренней трубке, необходим для получения высококачественного CVD графена с рулона на рулон. Мы обсуждаем, как качество и микроструктура фольги ограничивают однородность графена по макроскопическим размерам. В заключение мы обсудим способы масштабирования и реконфигурации конструкции CTCVD на основе общих требований к производству двумерных материалов.

Интеграция двумерных (2-D) материалов с приложениями, требующими экономически эффективного производства большой площади, требует понимания того, как методы лабораторного синтеза могут быть преобразованы в непрерывные производственные процессы. В число перспективных применений тонких пленок графена входят прозрачные электроды для дисплеев и фотоэлектрических устройств, высокопроизводительные фильтрующие мембраны и тепловизоры1,2,3,4,5,6,7. Прямой синтез графена на подложках методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) стал очень привлекательным методом для этих применений из-за его совместимости с инструментами для обработки тонких пленок и его потенциальной масштабируемости до больших площадей1. В результате продолжающихся исследовательских усилий электрический транспорт графена, синтезированного методом CVD на подложках, приближается к транспорту расслоенного графена, и растущее портфолио рецептов CVD может быть применено к подложкам все большего размера (от сантиметра до пластины) и разнообразия (например, металлические тонкие пленки, нанесенные на Si и кварц, помимо металлических фольг)2,8,9,10,11,12.

В академической литературе было представлено несколько систем и методов производства графена методом рулонирования (R2R)13,14,15,16,17. Вначале Хешедаль и его коллеги использовали модифицированную трубчатую печь для производства R2R многослойного графена на медной фольге (толщина 25 мкм, длина 1 м) со скоростью 1–40 см/мин14. Ямада и его коллеги представили специальную систему микроволнового плазменного CVD и сообщили о полном покрытии многослойного графена при скорости подачи 30 см/мин с использованием медной фольги шириной 294 мм15. Хотя процесс, усиленный плазмой, обеспечивал рост при низкой температуре (> 400 ° C), это также ограничивало качество графена и размер домена. Совсем недавно Кобаяши и его коллеги произвели высококачественный, преимущественно однослойный графен на медной фольге (ширина 230 мм, толщина 36 мкм) со скоростью 10 см/мин, используя систему R2R CVD, которая резистивно нагревала медную фольгу, подаваемую между двумя электродными роликами17. Сообщалось, что после последующего переноса покрытие графена на конечной подложке, которая представляла собой пленку из полиэтилентерефталата (ПЭТ), составляло 89–98%. Параллельно с этими усилиями был достигнут заметный прогресс в борьбе с периодическим ростом сердечно-сосудистых заболеваний. В 2010 году Бэ и др. производили однородные графеновые пленки на медной фольге диагональю 30 дюймов, которые были обернуты вокруг кварцевой трубки диаметром 7,5 дюймов, помещенной для статической обработки внутри кварцевой трубки диаметром 8 дюймов в трубчатой ​​​​печи. Графеновые пленки впоследствии были перенесены на ПЭТ после влажного химического травления Cu13. Похожий метод был использован Влассиуком и др. для производства 40-дюймовых диагональных пленок графена, которые впоследствии были перенесены на PET16.