多年来，随着对石墨烯的众多应用程序的日益增长，对石墨烯的需求一直在稳步增加。这种提高的兴趣引发了合成石墨烯方法背后的新研究 - 其中之一是化学气相沉积。查看一个研究团队如何使用建模来分析和增强CVD石墨烯的生长机制。
满足石墨烯的需求
您可能已经在新闻和博客上多次听到了“石墨烯”一词，通常提到了其在各种行业中推进技术方面的强大能力。并非每天都有像石墨烯一样独特和强大的材料，而且可以肯定地说世界已经注意到了。
石墨烯的结构。K. M. Al-Shurman和H. A. Naseem的图像，取自题为“镍薄膜上的CVD石墨烯生长机制“。
石墨烯一直是许多人的相关话题，包括我们自己。在一个最近的博客文章系列，我们强调了这种材料背后的革命，从其异国情调的特性和生产方法，都可以模拟其在各种应用中的使用。
我们的最后一篇文章该系列中强调了导致2D玻璃意外发现的“奇迹材料”的研究。虽然发现本身是显着的，但我要重点的观点是它们实际上如何通过化学蒸气沉积（CVD）生长石墨烯。
化学蒸气沉积背后的科学
化学蒸气沉积描述了旨在创造出强烈且高度纯净的固体材料的化学过程。在这种方法中，将气体分子组合在包含加热底物的反应室中。气体与加热底物之间的相互作用导致气体在底物表面反应和/或分解，从而产生材料膜。
这种合成方法特别有价值，其产生质量相当高的材料的能力。与其他涂层方法相比，化学蒸气沉积中所得的材料往往具有更大的纯度，硬度和对搅拌或损害的抵抗力。该方法中的另一个优势是可以沉积的各种材料，其中一种是石墨烯。
石墨烯合成
在合成技术中，化学蒸气沉积已证明在高质量石墨烯膜的发展方面有希望。该过程涉及使用过渡金属的不同种类的底物上的石墨烯膜。一个这样的例子就是镍（NI）。这涉及扩散在高温下分解的碳原子成镍，然后在冷却过程中在镍表面的碳原子沉淀。
由于CVD方法中的生长条件的多样性，因此产生单层石墨烯并保持对石墨烯膜质量的控制可能非常具有挑战性。阿肯色大学的一个研究团队认识到有必要更好地了解增长机制以及最佳条件石墨烯生产。
了解CVD石墨烯生长机制
研究人员使用Comsol多物理学创建了一个石墨烯合成模型，以分析镍上CVD石墨烯生长的溶解至沉淀机制。在这项研究中，他们分析了影响合成的石墨烯层数量的因素，包括生长时间和温度，冷却速率，镍中的碳溶解度以及镍的膜厚度。
一种示意图，显示了Ni上CVD石墨烯生长的机制。K. M. Al-Shurman和H. A. Naseem的图像，取自标题为“镍薄膜上的CVD石墨烯生长机制“。
在分析碳原子的扩散时，团队发现Ni膜内的温度越大，扩散过程的加速度就越快。从他们的结果来看，他们还得出结论，碳原子在较厚的Ni膜中达到其饱和状态需要额外的时间。
此外，研究人员通过冷却来建模过饱和。在过饱和过程中，碳原子在Ni薄膜的表面被隔离。将薄膜从900°C冷却至725°C时，在薄膜表面上获得了1.7层石墨烯。与实验数据相比，这一结果数量证明是合理的。
图表突出了将Ni膜从900°C冷却至725°C时产生的层数。K. M. Al-Shurman和H. A. Naseem的图像，取自题为“镍薄膜上的CVD石墨烯生长机制“。
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