化学气相沉积来合成高产量石墨烯纳米带的新方法
俄罗斯研究人员提出了一种合成高质量石墨烯纳米带的新方法，这种材料具有在柔性电子，太阳能电池，LED，激光器等领域中应用的潜力。在The Journal of Physical Chemistry C杂志提出，该方法提供了化学气相沉积的原始方法。与目前在贵金属基材上使用的纳米带自组装相比，可以以较低的成本获得更高的产量。
硅基电子产品正在稳步接近其极限，有人想知道哪种材料可以为我们的设备带来更大的推动。石墨烯是二维碳原子片，但它具有所有著名的电子特性，但它却不具备所需的功能：与硅不同，石墨烯不具有在导电和非导电状态之间切换的能力。像硅这样的半导体的定义特征对于创建晶体管是至关重要的，而晶体管是所有电子设备的基础。
但是，一旦将石墨烯切成窄带，只要边缘具有正确的几何形状且没有结构缺陷，它们就会获得半导体性能。这样的纳米带已经被用于具有适当良好特性的实验晶体管中，并且材料的弹性意味着可以使器件具有柔性。尽管将2D材料与3D电子设备集成在技术上具有挑战性，但纳米带不能替代硅并没有根本原因。
获得石墨烯纳米带的更实用的方法不是通过切割石墨烯片或纳米管，而是通过逐个原子地生长该材料。这种方法被称为自下而上的合成，与自上而下的合成方法不同，它可以产生结构完美，因此在技术上有用的纳米带。自下而上合成的当前主要方法，即自组装，成本高昂，并且难以扩大规模以进行工业生产，因此材料科学家正在寻求替代方法。
石墨烯纳米带是一种材料，其特性是基础科学所关注的，并有望在各种未来设备中得到应用。但是，合成它的标准技术有一些缺点。" MIPT纳米碳材料实验室的高级研究员Pavel Fedotov解释说。"保持超高真空并使用金基底非常昂贵，并且材料的产量相对较低。"
"我和我的同事们提出了另一种合成原子上无瑕的纳米带的方法。它不仅可以在正常真空下工作，而且可以用便宜得多的镍基材工作，而且由于纳米带被制成多层膜而不是单独生产，因此产量得以提高。为了将这些薄膜分离成单层带，将它们悬浮起来。"研究人员继续说道。"重要的是，这些都不影响材料的质量。我们通过获得适当的拉曼散射曲线并观察纳米带的光致发光来确认没有缺陷。"
石墨烯纳米带有不同的类型，俄罗斯科学家使用其原始的化学气相沉积技术制造的碳带具有图1右侧所示的结构。它们宽7个原子，边缘让人联想起扶手椅，因此名称：7-A石墨烯纳米带。这种类型的纳米带具有对电子学有价值的半导体性能，这与其具有锯齿形边缘的7-Z表亲（如左图所示）一样，其性能类似于金属。
图1.两个纳米带边缘配置。碳原子的粉红色网络是一条带锯齿形（Z）边缘的色带，而黄色的碳带则具有所谓的扶手椅（A）边缘。请注意，尽管纳米带有许多不同的宽度，但按照惯例，图像中的纳米带都被认为是七个原子宽。
合成发生在抽真空至标准大气压的百万分之一的气密玻璃管中，该压力仍比纳米带自组装通常所需的超高真空高10,000倍。最初使用的试剂是包含碳，氢和溴的固体物质，称为DBBA。将其置于带有镍箔的管中，并在1,000摄氏度下进行预退火，以去除氧化膜。然后将带有DBBA的玻璃管分两个阶段进行数小时的热处理：首先在190 C，然后在380C。第一加热导致形成长的聚合物分子，在第二阶段，它们转变为纳米带。具有原子精确的结构，密实地堆积在厚达1,000纳米的薄膜中。
获得薄膜后，研究人员将它们悬浮在溶液中，然后将其暴露于超声波中，将多层"堆叠"分解为一个原子厚的碳纳米带。使用的溶剂是氯苯和甲苯。先前的实验表明，这些化学品对于以稳定的方式悬浮纳米带，防止聚集回到堆栈中和防止出现结构缺陷的现象而言是最佳的。还通过光学方法在悬浮液中进行了纳米带质量控制：拉曼散射和光致发光数据的分析证实该材料没有明显的缺陷。
因为用于制造无缺陷多层7-A碳纳米带的新合成技术相对便宜且易于规模化，这是将这种材料引入电子和光学设备大规模生产的重要一步，最终将大大超越该材料。
经验表明，一旦发现了新的碳材料，就意味着新的特性和新的应用。石墨烯纳米带也没什么不同，" Elena Obraztsova回忆起MIPT纳米碳材料实验室的负责人。最初，纳米带是在单壁碳纳米管内部合成的，这可以限制碳带的宽度。最初在这些嵌入式纳米带上展示了发光，其参数随纳米管的几何形状而变化。"
"我们的新方法-自下而上的化学气相沉积-使超窄石墨烯碳带能够在相当温和的条件下大量生产：中等真空度，镍基材。所得材料显示出明亮的激子光致发光。对于非线性光学的许多应用来说，这是有希望的，我们将继续追求这一目标。"