火博官网登录:防腐材料太阳能薄膜芯片:石墨烯还有什么你不能做的?

  石墨烯以其优异的化学稳定性和不透过性被认为是最具潜力且已知最薄的防腐材料。化学气相沉积法(CVD)常用来制备大面积和高品质的石墨烯薄膜,但研究人员发现CVD法生长石墨烯的过程中不可避免地会引入不同类型和不同尺寸的本征缺陷,如空位、针孔、裂纹和石墨烯岛晶界等。缺陷的存在,导致金属基体直接暴露在腐蚀介质中,引发金属基体和石墨烯之间的电偶腐蚀,加速了金属基体的腐蚀速度。缺陷除了会降低石墨烯薄膜的防腐性能外,还会降低电学性能,尤其是在腐蚀发生以后。

  目前已有一些修复石墨烯缺陷的方法,比如通过原子层沉积(ALD)方法在石墨烯上沉积钝化氧化物(例如ZnO和Al2O3)。氧化物覆盖整个石墨烯表面,可以提升石墨烯膜层的耐腐蚀性能。但是,ALD方法需要数小时且对缺陷不具有高的选择性,沉积在石墨烯的无缺陷区域的氧化物往往会显著降低石墨烯的电学性能。到目前为止,修复石墨烯缺陷的最大挑战是高效性和精准性,同时又不影响其化学稳定性和电学性能。

  对于许多在腐蚀性环境中工作的微型设备,既需要优异的耐腐蚀性能,又需要良好的电子性能,因此迫切需要经济有效的缺陷钝化/修复技术。一旦任何腐蚀介质穿过石墨烯缺陷并到达石墨烯和铜基板之间的界面,石墨烯/铜界面就会迅速开始电偶腐蚀过程,从而加速阳极铜的腐蚀。石墨烯虽然在短期腐蚀和氧化过程中往往表现出有效的保护功能,但在长期腐蚀试验中反而可能起到促进腐蚀的作用,由此产生的湿腐蚀甚至可能比未涂石墨烯层的铜表面,由天然形成的氧化膜保护更严重。最重要的是,最大的挑战是准确修复石墨烯的各种缺陷,同时又不影响其优越的固有特性,例如良好的化学稳定性和高电子导电性。

  在技术上仍然缺乏通过简单的处理方法在短时间内(例如约 15 分钟)准确修复石墨烯上所有不同类型和尺寸的结构缺陷,并且不会产生不需要的修复剂吸附和对石墨烯的不利影响。

  近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋实验室苛刻环境材料耦合损伤与延寿团队设计了一种快速、精准修复石墨烯缺陷的方法,可以在15分钟内高效地修复石墨烯上多尺度和多类型缺陷,在提高石墨烯膜层腐蚀防护性能的同时不影响石墨烯优异的导电性能。

  近日,澳大利亚墨尔本斯威本科技大学转化原子材料中心(CTAM)的研究人员开发了一种新型石墨烯薄膜,这种薄膜可以吸收90%以上的太阳光,同时消除了大部分红外热发射损失,这是该项壮举的首次报道。这是一种高效的太阳能加热超材料,能够在开放环境中以最小的热损失快速加热到83摄氏度(181华氏度)。该薄膜的拟议应用包括热能收集和储存、光热发电和海水淡化。

  对此,CTAM创始董事贾宝华教授表示,在吸收太阳光的同时抑制热辐射损失(也称为黑体辐射)对于高效的太阳能热吸收器至关重要,但要实现这一目标却极为困难。她解释说:“这是因为,根据吸收的热量和吸收体的特性,发射温度不同,导致其波长有显著差异。但是我们已经开发出了一种三维结构的石墨烯超材料,它具有很高的吸收性,可以选择性地滤除黑体辐射。”

  这种三维结构的石墨烯超材料由一层30纳米厚的交替石墨烯薄膜和沉积在沟槽状纳米结构上的介电层组成,该结构兼作铜衬底以增强吸收。更重要的是,所述基板以矩阵排列来图案化,以使得波长选择性吸收的柔性可调谐性。这种新材料还将薄膜厚度显著减少到三分之一而使用了较少的石墨烯,其薄度有助于更有效地将吸收的热量传递到其他介质,如水。此外,薄膜是疏水性的,这有助于自我清洁,而石墨烯层有效地保护铜层免受腐蚀,有助于延长超材料的寿命。

  “由于金属基底的结构参数是控制SGM整体吸收性能的主要因素,而不是其固有特性,因此可以根据应用需求或成本使用不同的金属,”Keng-Te Lin说,他是最近发表在《自然通讯》上的一篇关于超材料的论文的主要作者,也是Swinburne大学的研究员。他指出,铝箔也可以用来代替铜,而不会影响性能。“我们利用原型机薄膜来生产清洁的水,并获得了96.2%的令人印象深刻的太阳能-蒸汽效率。对于使用可再生能源的清洁水发电来说,这是非常有竞争力的。”

  他补充说,这种超材料还可以用于能量收集和转换应用、蒸汽发电、废水净化、海水淡化和光热发电。但仍然存在的一个挑战是找到一种制造方法,使基板可伸缩。

  芯片产业发展了半个多世纪,工艺制程也在不断推进。从微米到纳米,在纳米制程领域又从90nm压缩到5nm,未来甚至还能突破更高的工艺制程。但是受到物理规则的限制,传统的硅材料可能无法支撑芯片突破到3nm以下,而且生产高端芯片对光刻机的依赖非常高。以目前国产工艺制程来看,一时半会还解决不了高端芯片的本土化制造。不过中国芯采用另外一种材料模式或许能换道超车,这是什么材料?石墨烯~

  芯片制造经过长期的研发攻克,解决了一系列的工艺难题。在材料和设备等方面都得到了稳定的供应,再加上芯片制造商掌握的芯片代工技术,可以顺利生产线各种类型和不同制程的芯片。传统的硅基芯片以硅作为材料,支持行业发展了几十年,从低端到高端完成了数代工艺制程的突破。

  可是再往下发展,硅基芯片可能就不管用了。3nm、2nm、1nm甚至更先进的工艺制程,还能使用硅作为工艺材料吗?物理规则的限制想要被打破,靠硅材料可能无法完成。而这时候,探索新型材料的发展模式成为了新的出路,目前已经进入到第三代半导体材料时期,碳化硅,氮化镓等等材料成为了市场瞩目的焦点。但这些材料都难以适用于高端电子消费产品,碳化硅适合用在5G设备,新能源汽车,氮化镓被广泛用于充电器等设备。如果想取代硅材料的话,估计不太可能。那么有没有一种材料不仅有出色的性能,而且还能取代硅基芯片呢?或许石墨烯成为了一个选择。

  首先要清楚石墨烯是一种二维碳材料,它的特点是导电性强,在光学、力学、电学等领域有很广泛的应用。同时被作用于微纳加工,能源等产业发展。由于石墨烯的广泛运用,也被很多人过度吹嘘,比如使用石墨烯电池不仅充电速度快,而且十分安全。像这种不切实际的基本上都是在鼓吹石墨烯的性能。虽然石墨烯的应用范围很广,但想要在各个产业内发挥真正的价值,还需要时间探索。

  不过在半导体行业领域,中国科研人员成功制作出8英寸石墨烯晶圆。这是业界少有验证石墨烯可制成晶圆的实例,晶圆可以被切割成一块块芯片,然后进行封装等工序环节。在性能方面,由于石墨烯材料的导电性强,晶体管的运行效率会更高,同样的制程,石墨烯造出来的碳基芯片是硅基芯片的10倍。

  虽然偏向于理论效果,但8英寸石墨烯晶圆的亮相已经研制了初步的可能性,或许中国芯的换道超车有可能寄托在石墨烯身上。还有重要的一点就是,既然性能是硅基芯片的十倍,那么就算是工艺制程较低的光刻机,也能生产出堪比高端光刻机性能水准的芯片。或者让中国芯直接避开光刻机,用普通的设备来造出芯片也未可知~

  石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。然而,作为一种新型材料,石墨烯依然具有一定的特殊化学性质:

  1、生物相容性:羧基离子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能团,从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比,更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比,更长,更易于被掺杂以及化学改性,更易于接受功能团。

  3、还原性:可在空气中或是被氧化性酸氧化,通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料,经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。

  然石墨烯的结构相对稳定碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42但鉴于其化学性依然需要一个安全的实验环境:石墨烯手套箱

  Lab2000手套箱是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子,纯化工作环境的密闭循环工作系统,提供可以满足您特定清洁要求应用的1ppm的O₂和H₂O惰性的氛围环境。该系统是为石墨烯研究开发而设计的经济型循环净化系统:包括一台密闭箱体、一套过渡舱,一台旋片式真空泵和一套集成有微控制器操作面板的循环净化系统。标准的Lab2000系统配备的惰性气体净化系统安装一套净化柱(全自动可再生)净化、维护手套箱箱体内的气体环境。

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