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探索 CVD 石墨烯應(yīng)用開發(fā)的未知領(lǐng)域
General Graphene 討論了將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室?guī)氍F(xiàn)實(shí)世界的高度復(fù)雜過程。
 

石墨烯——有史以來第一種二維納米材料——于 2004 年由 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 分離和表征,他們因此獲得了 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)在是 2022 年,石墨烯仍未進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界和幾個(gè)大問題仍然留在每個(gè)人的腦海中。石墨烯具有驚人的特性,但它的用途是什么?如果石墨烯這么好,為什么沒有人在現(xiàn)實(shí)世界中使用它?什么花了這么長(zhǎng)時(shí)間,石墨烯的下一步是什么?
 
每一種新材料或創(chuàng)新都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)膨脹的期望和幻滅的循環(huán),隨后重新調(diào)整期望并達(dá)到生產(chǎn)力的穩(wěn)定狀態(tài)。石墨烯即將進(jìn)入生產(chǎn)力的高原,但石墨烯行業(yè)仍籠罩著迷霧和不確定性。
 
 
 
一種材料?
迄今為止,大多數(shù)市場(chǎng)都將石墨烯視為一種材料,并且?guī)缀跬耆珜⑵渑c顆粒形式聯(lián)系在一起——通常稱為氧化石墨烯、還原氧化石墨烯或石墨烯納米片。
 
在花了七年時(shí)間研究石墨烯并成功找到大規(guī)模生產(chǎn)它的方法之后,我們了解了有關(guān)這種材料的某些知識(shí),這有助于闡明它是什么,不是什么。
 
石墨烯是一系列碳基納米材料,具有各種原子和物理結(jié)構(gòu)配置——最流行的形式是顆粒和薄膜。
 
石墨烯不是一種適合所有材料的材料,要將石墨烯應(yīng)用于各種應(yīng)用,生長(zhǎng)過程必須具有適應(yīng)性,并且根據(jù)最終應(yīng)用涉及多個(gè)優(yōu)化和功能化步驟。
 
從中得出的最重要的結(jié)論是,石墨烯的特性取決于幾個(gè)因素——層數(shù)、缺陷密度、使用的基板、晶體尺寸和摻雜劑的使用。這意味著擁有適應(yīng)性強(qiáng)的工藝對(duì)于為特定的最終應(yīng)用定制石墨烯的特性至關(guān)重要。當(dāng)然,不可擴(kuò)展且具有成本效益的適應(yīng)性流程只能解決三分之一的問題。
 
 

石墨烯:除了離開實(shí)驗(yàn)室,它無所不能
石墨烯行業(yè)的每個(gè)人都非常熟悉這種說法,回顧過去二十年,石墨烯不幸落入了我們都聽到和讀到的小眾技術(shù)領(lǐng)域。他們聲稱能夠?qū)崿F(xiàn)革命性的和改變世界的突破,但出于某種原因,他們看不到曙光,也從未進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。
 
當(dāng)石墨烯被發(fā)現(xiàn)時(shí),人們很快將其稱為“神奇材料”和世界上最強(qiáng)、最薄、導(dǎo)電性最強(qiáng)的材料。這些特性確實(shí)存在,但僅限于納米級(jí),并且不容易擴(kuò)展到人類尺寸。即使在納米尺度上——雖然仍然很出色——石墨烯的特性也達(dá)不到過去十年中普遍存在的不合理炒作水平。
 
重點(diǎn)是石墨烯是什么,而不是它能做什么。事實(shí)上,由于這種關(guān)注點(diǎn)的偏差,人們對(duì)石墨烯的理解最終被扭曲和誤導(dǎo)了。這在今天的市場(chǎng)上仍然很明顯。大約 90% 的了解石墨烯的人認(rèn)為它是一種材料,并將其與顆粒聯(lián)系在一起——最常見的是黑色粉末。此外,市場(chǎng)上幾乎每個(gè)人都認(rèn)為石墨烯是一種“萬能”的材料,其特性可以在廣泛的應(yīng)用中得到一致應(yīng)用。
 
世界還沒有接觸過納米材料,這意味著理解和應(yīng)用石墨烯的特性是一項(xiàng)學(xué)習(xí)曲線陡峭的任務(wù)——由于公眾對(duì)石墨烯的期望和解釋而變得更加困難。
 
唯一的解決辦法是建立石墨烯作為一種材料的可信度,并采取措施擴(kuò)大最初的研究工作。這取決于能否獲得大量具有成本效益的石墨烯,并具有一致且可重復(fù)的質(zhì)量。
 
不幸的是,事實(shí)證明大規(guī)模生產(chǎn)很困難,這意味著收集石墨烯在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)和證據(jù)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)于使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 制造的石墨烯薄膜來說尤其如此——該工藝僅限于石英管式爐,因?yàn)樗鼈冊(cè)谡婵諚l件下運(yùn)行非常耗時(shí),而且只能產(chǎn)生小批量的石墨烯。
 
許多人放棄了石墨烯,并聲稱由于大規(guī)模生產(chǎn)的難題,它永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。對(duì)于使用化學(xué)氣相沉積法制造的石墨烯薄膜,大規(guī)模生產(chǎn)的可能性要小得多,因?yàn)榧词故侵Z貝爾獎(jiǎng)獲得者也表示無法做到。
 
從實(shí)驗(yàn)室到工廠
2017 年,General Graphene 成功調(diào)試了 GG 1.0——這是一個(gè)概念證明,展示了在大氣條件下制造 CVD 石墨烯的能力。這是一項(xiàng)前所未有的成就,因?yàn)?CVD 工藝僅限于真空條件 - 它點(diǎn)燃了實(shí)現(xiàn) General Graphene 的目標(biāo)的火花,即為各種終端應(yīng)用制造可擴(kuò)展、適應(yīng)性和成本效益高的 CVD 石墨烯。
 
GG 2.0——一條中試生產(chǎn)線——于 2019 年投入使用,并在放大條件下證明,在大氣條件下制造 CVD 石墨烯是實(shí)現(xiàn) CVD 石墨烯可擴(kuò)展大規(guī)模生產(chǎn)的可行途徑。
 
GG 2.5——一種迭代設(shè)計(jì)——在 GG 2.0 之后不久投入使用。不幸的是,這個(gè)系統(tǒng)沒有按預(yù)期工作,但 General Graphene 能夠從中吸取一些重要的教訓(xùn):
 
* 失敗只會(huì)為我們的成功打開其他途徑;* 失敗是不可避免的
:關(guān)鍵是要從失敗中快速學(xué)習(xí),并快速且廉價(jià)地失敗。
 
我們從 GG 2.5 中吸取的教訓(xùn)被傳承下來并輸入到我們當(dāng)前的 CVD 石墨烯制造系統(tǒng)——GG 3.0——這是一個(gè)工業(yè)規(guī)模的系統(tǒng),能夠以一致且可重現(xiàn)的質(zhì)量高效地生產(chǎn) CVD 石墨烯,適用于一系列應(yīng)用。GG 3.0 是當(dāng)今世界上唯一能夠以行業(yè)兼容的價(jià)格和一致且可重現(xiàn)的質(zhì)量實(shí)現(xiàn) CVD 石墨烯真正工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的系統(tǒng)。General Graphene 開發(fā)了數(shù)千種石墨烯生長(zhǎng)配方,具有調(diào)整石墨烯特性并針對(duì)廣泛應(yīng)用正確優(yōu)化的能力和經(jīng)驗(yàn)。此外,General Graphene 在將石墨烯轉(zhuǎn)移到各種表面上的經(jīng)驗(yàn)意味著它已經(jīng)在比世界上任何其他公司更多的表面上生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移石墨烯。
 
通過多種質(zhì)量控制和優(yōu)化技術(shù)構(gòu)建真正適應(yīng)性強(qiáng)的工業(yè)規(guī)模工藝,使 General Graphene 能夠?yàn)楦鞣N終端應(yīng)用制造 CVD 石墨烯。自成立以來一直與應(yīng)用無關(guān),General Graphene 的重點(diǎn)僅集中在 CVD 石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)上,并作為一家純粹的石墨烯鑄造廠。這種方法使 General Graphene 能夠最大限度地發(fā)揮石墨烯作為一種令人難以置信的多功能材料的潛力,并通過提供為特定終端應(yīng)用量身定制的石墨烯來迎合不同市場(chǎng)的客戶。隨著 GG 3.0 的調(diào)試和全面商業(yè)運(yùn)營(yíng)的準(zhǔn)備,石墨烯商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙已經(jīng)解決——以一致和可重復(fù)的質(zhì)量進(jìn)行具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)。 
 
 
就其廣泛的應(yīng)用潛力和它可以幫助創(chuàng)造的新市場(chǎng)而言,石墨烯的路線圖一直令人驚嘆。然而,由于進(jìn)展緩慢,它也一直受到科學(xué)界許多人的懷疑。
 
歸根結(jié)底,任何新材料的成功在很大程度上取決于能否以與最終應(yīng)用兼容的價(jià)格、數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。石墨烯有能力創(chuàng)造幾個(gè)比材料本身大得多的新市場(chǎng)——就像硅一樣。憑借七年為多種應(yīng)用制造和優(yōu)化 CVD 石墨烯的經(jīng)驗(yàn)以及世界上第一個(gè)商業(yè)規(guī)模的 CVD 石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng),General Graphene 有信心成為 CVD 石墨烯商業(yè)化背后的推動(dòng)力,并最終將其帶出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。
  
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
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