大晶粒化学气相沉积石墨烯的强度与片状石墨烯一样强

石墨烯仍然是有史以来最坚固的材料，正如Hone教授曾经说过的那样，其强度如此之高，以至于“大象需要用铅笔平衡才能突破厚度为Saran Wrap的石墨烯。”Andrew Shea的插图，哥伦比亚工程公司

Columbia Engineering研究人员的一项新研究报告了使用化学气相沉积（CVD）生长的大面积石墨烯薄膜的强度，纠正了关于石墨烯晶界弱的错误共识。

在2013年5月31日于《科学》杂志上发表的一项新研究中，哥伦比亚工程公司的研究人员证明，即使是由许多小晶粒缝合在一起的石墨烯，其强度也与完美晶型的石墨烯几乎一样强。这项工作解决了理论模拟之间的矛盾，理论模拟预测晶界可以很强，而早期实验表明晶界比理想晶格弱得多。

石墨烯由排列在蜂窝晶格中的碳原子单层组成。“我们的第一篇科学论文发表于2008年，研究了石墨烯在无缺陷时的强度-固有强度，”机械工程学教授James Hone与机械工程学教授Jeffrey Kysar共同领导了这项研究。“但是无缺陷的原始石墨烯仅存在于很小的区域。应用所需的大面积薄片必须包含许多在晶粒边界处连接的小晶粒，目前尚不清楚这些晶粒边界的强度。这是我们的第二篇《科学》论文，报道了使用化学气相沉积（CVD）生长的大面积石墨烯薄膜的强度，我们很高兴地说石墨烯比以往任何时候都更坚固。”

该研究验证了用于CVD生长的石墨烯的后处理的常用方法会弱化晶界，从而导致先前研究中看到的极低的强度。哥伦比亚工程团队开发了一种新工艺，可防止石墨烯在转移过程中受到任何损害。该论文的主要作者，Hone实验室的博士后研究员Gwan-Hyoung Lee指出：“我们替代了另一种蚀刻剂，并能够在不损害石墨烯的情况下创建测试样品。”“我们的发现清楚地纠正了关于石墨烯晶界弱的错误共识。这是一个好消息，因为石墨烯为基础科学研究和工业应用提供了如此众多的机会。”

哥伦比亚工程团队在2008年的《科学》杂志上报道，石墨烯（一种原子厚的碳层）以其完美的晶体形式是有史以来测得的最坚固的材料。在铅笔上保持平衡，以突破一层薄薄的Saran Wrap石墨烯。对于第一个研究，该团队通过机械剥落或机械剥离从石墨晶体中获得了结构完美的小片状石墨烯。但是，去角质是一个耗时的过程，对于需要工业批量生产的石墨烯的许多潜在应用中的任何一种，这都是永远不可行的。

目前，科学家可以使用化学气相沉积（CVD）来生长与电视屏幕一样大的石墨烯片，其中，在高温炉中的铜基板上生长单层石墨烯。石墨烯的第一个应用之一可能是作为柔性显示器中的导电层。

“但是CVD石墨烯是从许多小晶粒（例如被子）'缝合'在一起的，这些晶粒在原子边界上包含原子结构中的缺陷，” Kysar解释说。“如果这些晶界比理想的晶格更容易破裂，它们会严重限制大面积石墨烯的强度，因此人们对了解它们的强度有着浓厚的兴趣。”

哥伦比亚工程团队希望发现使CVD石墨烯如此脆弱的原因。在研究用于创建样品进行测试的加工技术时，他们发现最常用于去除铜基板的化学物质也会损坏石墨烯，从而严重降低其强度。

他们的实验表明，大晶粒的CVD石墨烯与剥离的石墨烯一样强，表明其晶格同样完美。而且，更令人惊讶的是，他们的实验还表明，即使在晶界处进行测试，具有小晶粒的CVD石墨烯的强度也大约是理想晶体的90％。

Hone说：“这对于石墨烯的未来来说是令人振奋的结果，因为它提供了实验证据，表明其在原子尺度上具有的异常强度可以一直保持到样品英寸甚至更大。”“随着科学家继续开发新的柔性电子产品和超强复合材料，这种力量将是无价的。”

坚固，大面积的石墨烯可用于多种应用，例如柔性电子产品和增强组件-潜在地，像海报一样卷起的电视屏幕或可以替代碳纤维的超强复合材料。或者，研究人员推测，这是一种科幻小说的想法，即太空电梯可以通过一条长的绳索将轨道上的卫星连接到地球，该绳索可能由CVD石墨烯片组成，因为石墨烯（及其表亲材料，碳纳米管）是唯一的材料具有这种假设应用所需的高强度/重量比。

该团队还对研究2D材料（例如石墨烯）感到兴奋。“对于2D材料中的晶界影响知之甚少，” Kysar补充说。“我们的工作表明，与3D材料相比，2D材料中的晶界对加工更加敏感。这是由于石墨烯中的所有原子都是表面原子，因此通常不会降低3D材料强度的表面损伤会完全破坏2D材料的强度。但是，通过适当的处理避免表面损坏，二维材料（尤其是石墨烯）中的晶界可以与完美，无缺陷的结构几乎一样牢固。”

这项研究得到了空军科学研究所和美国国家科学基金会的资助。

出版物：Gwan-Hyoung Lee等人，“高强度化学气相沉积石墨烯和晶粒边界”，《科学》，2013年5月31日：卷340号6136 pp.1073-1076; DOI：10.1126 / science.1235126

图像：Andrew Shea的插图，哥伦比亚工程公司