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美研制出全新碳基半导体一氧化石墨烯

2021年10月10日 义乌市机械设备网

美国威斯康辛大学米尔沃基分校的科学家发现了一种全新的碳基材料一氧化石墨烯(GMO),其由碳家族的神奇材料石墨烯合成,该半导体新材料有助于碳取代硅,应用于电子设备中。

石墨烯的导电、导热性能极强,远超硅和其他传统的半导体材料,而由硅制成的晶体管的大小正接近极限,科学家们认为,纳米尺度的碳材料可能是“救命稻草”,石墨烯未来有望取代硅成为电子元件材料。

但因其太昂贵而无法大规模生产,目前石墨烯的应用非常有限,且迄今与石墨烯有关的材料仅以导体或绝缘体的形式而存在。

该研究团队的成员、力学工程教授陈俊鸿(音译)表示:“石墨烯研究领域的主要驱动力之一是使这种材料成为半导体,我们通过对石墨烯进行化学改性得到了新材料GMO。GMO展示出的特性表明,它比石墨烯更容易大规模生产。”

该团队在研究陈俊鸿研制出的一种混合纳米材料时,无心插柳得到了GMO。

起初,他们的研究对象是一种由碳纳米管(将石墨烯卷成圆柱状得到)组成的、表面饰有氧化锡纳米粒子的混合纳米材料,陈俊鸿用这种混合材料制造出了高性能、高效率而廉价的传感器。

为了更好地了解这种混合材料的性能,科学家们需要想方设法让石墨烯变身为其“堂兄弟”能大规模廉价生产的绝缘体氧化石墨烯(GO)。GO由石墨烯不对齐地堆叠而组成。实验中,陈俊鸿和物理学教授马瑞加·加达得兹斯卡在真空中将GO加热以去掉氧。然而,GO层中的碳和氧原子没有被破坏而是变得排列整齐,变成了有序的、自然界并不存在的半导体GMO。

研究人员埃里克·马特森说:“我们认为氧会离开,留下多层石墨烯,但结果却并非如此,让我们很吃惊。”

加达得兹斯卡表示,因为GMO是单层形式,因此其或许可应用于与表面催化有关的产品中。他们正在探索其在锂离子电池阳极的用途,GMO有可能提升锂离子阳极的效能。

该研究团队接下来需要了解什么触发了这种材料的重组以及什么环境会破坏GMO的形成。威斯康辛大学米尔沃基分校表面研究实验室的主任迈克尔·梅韦纳说:“还原反应会去除氧,但实际上,我们获得了更多氧,因此,我们需要了解的事情还有很多。”

梅韦纳指出,目前他们仅在实验室小规模制造出了GMO,并不确定在大规模制造过程中会遇到什么问题。

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