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    激光光譜研究所團隊利用OAT法實現超高垂直石墨烯薄膜生長
    發布時間:2021-04-10 來源:
      

    近日,我校激光光譜研究所陳旭遠教授帶領的團隊在三維豎直石墨烯制備及儲能應用領域取得突破性進展。研究成果以“Oxygen-Assisted Trimming Growth of Ultrahigh Vertical Graphene Films in a PECVD Process for Superior Energy Storage”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。論文第一作者為激光光譜研究所博士生韓杰敏,通訊作者為馬一飛副教授、王梅教授和陳旭遠教授,論文合作者還包括賈鎖堂教授、肖連團教授。

    等離子體增強化學氣相沉積工藝合成的豎直石墨烯集合了石墨烯的固有特性和三維結構帶來的優勢,在儲能領域展示出巨大前景。然而在前期研究中發現,豎直石墨烯的實際應用受到其高度飽和現象的限制,無法在高能量、高功率的超級電容器上充分發揮優勢。豎直石墨烯高度通常在幾百納米至幾微米,其高度飽和是由于豎直石墨烯片層隨著沉積時間增長而聚合,改變了等離子體中鞘層電勢使其分布趨于均勻,導致沉積過程中的活性粒子分布也趨于均勻,失去了在豎直方向的沉積優勢。研究團隊在此工作中開發了一種氧輔助“修正”(OAT)工藝以消除過密的石墨烯片層,阻止片層隨時間增長而聚集,克服了生長過程中豎直石墨烯厚度飽和的現象。

    (a)普通豎直石墨烯和超高的制備示意圖 (b)無OAT生長條件下豎直石墨烯和超高豎直石墨烯的俯視圖和橫截面SEM圖

    (c)OAT生長條件下豎直石墨烯和超高豎直石墨烯的俯視圖和橫截面SEM圖

    團隊成員利用這種方法合成了高達80微米的超高豎直石墨烯,并應用于超級電容器中,獲得了241.35mF cm–2的面積比電容,展現出了優越的電化學性能及儲能能力。值得注意的是,80微米的高度并非該合成技術所能達到的最大值,通過氧輔助“修正”工藝可以獲得任意高度的豎直石墨烯。這項工作對于高負載豎直石墨烯的合成具有重要的指導意義。與IC兼容的制造工藝和出色的儲能能力使得OAT豎直石墨烯在集成芯片、器件領域中具有非常大的應用潛力。

    未聚合的豎直石墨烯(a)結構示意圖(b)表層電勢分布(c)截面圖聚合后的豎直石墨烯

    (d)結構示意圖(e)表層電勢分布(f)截面圖

    該工作獲得了量子光學與光量子器件國家重點實驗室、極端光學省部共建協同創新中心、國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金的支持。

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