石墨烯是一种具有众多潜在应用的材料，包括柔性光源、可集成于窗户的太阳能电池板，以及用于海水淡化和水净化的膜。然而，所有这些潜在用途都面临同一个重大障碍：需要一种可规模化且成本效益高的方法，来连续生产石墨烯薄膜。
本周，《 Scientific Reports 》刊载的一项新工艺，或许终于能改变这一局面。该研究由麻省理工学院和密歇根大学的研究人员完成。论文资深作者、麻省理工学院机械工程副教授 A. John Hart 表示，他的团队提出的新型卷对卷制造工艺解决了一个关键问题：要让石墨烯及其他二维材料的许多设想应用切实可行，“就必须能够反复、大规模且以经济有效的方式生产。”
生产如此大量的石墨烯，将是对当前方法的一大飞跃。如今，研究人员往往只能制备少量石墨烯——通常用胶带从一块石墨上剥离薄片，或用实验室熔炉制成邮票大小的薄膜。而新方法有望实现连续生产：以薄金属箔为基底，在工业流程中将材料沉积到金属箔上，金属箔则平稳地从一个卷轴移动到另一个卷轴。最终薄片的尺寸只受金属箔卷的宽度以及进行沉积的腔室大小限制。
由于连续工艺无需像当今的加工方法那样，为了在固定真空腔室中装卸材料而停机再启动，因此有望大幅扩大产能。这或将最终释放石墨烯的应用潜力。石墨烯具有独特的电子和光学特性，也是已知最坚固的材料之一。
这项新工艺改进自一种化学气相沉积方法，麻省理工学院及其他机构已用它来制备石墨烯：在一个小型真空腔室中，含碳蒸气发生反应，沉积在铜箔等水平基底上。新系统采用类似的蒸气化学反应，但腔室由两根内外嵌套的同心管构成，基底则是一条薄铜带，可沿内管平稳滑动。
气体流入管内，并经由精确布置的孔释放，使基底能够依次接触两种气体混合物。第一个区域称为退火区，用于处理基底表面；第二个区域是生长区，石墨烯在此处形成于铜带上。腔室加热至约 1,000 摄氏度，以完成反应。
研究人员设计并搭建了该系统的实验室规模版本。他们发现，当铜带以每分钟 25 毫米（1 英寸）的速度移动时，能够制成非常均匀、质量很高的单层石墨烯。即使将移动速度提高到 20 倍，系统仍能形成涂层，但石墨烯质量较低，缺陷也更多。
Hart 表示，某些潜在应用（如过滤膜）可能需要质量极高的石墨烯；但其他应用（如薄膜加热器）或许用质量较低的薄片也足够。他是麻省理工学院 Mitsui 当代技术职业发展副教授。
Hart 表示，目前新系统制备的石墨烯“还不及批次加工所能达到的最佳水平”，但“据我们所知，它仍至少不逊于其他连续工艺制备的石墨烯”。他还说，进一步研究基底预处理等细节，以去除不需要的表面缺陷，可能会提升最终石墨烯薄片的质量。
Hart 补充说，团队正在研究这些细节，并了解各种权衡取舍，以便为具体应用选择工艺条件，例如在更高产率和石墨烯质量之间进行权衡。他说：“下一步是弄清楚如何突破极限，让速度提高 10 倍甚至更多。”
Hart 表示，虽然这项研究聚焦于石墨烯，但这台设备也可以改造用于连续制造其他二维材料，甚至用于生长碳纳米管阵列；他的团队也在研究碳纳米管阵列。
未参与这项工作的宾夕法尼亚大学物理与天文学教授 Charlie Johnson 表示：“这是一项高质量研究，代表着在实现大面积石墨烯规模化生产方法的道路上取得了重大进展。我认为，同心管方案非常有创意。如果能够扩大铜箔宽度并实现规模化，它有望显著降低石墨烯的生产成本。”
研究团队还包括密歇根大学的 Erik Polsen 和 Daniel McNerny，以及麻省理工学院的博士后 Viswanath Balakrishnan 和 Sebastian Pattinson。这项工作得到了美国国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。发布本文并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：David L. Chandler 是麻省理工学院新闻的撰稿人。
图片：一位高级技术专家手持一块覆有石墨烯层的碳化硅圆盘。路透社/Kacper Pempel。
