低成本、工业级、高质量CVD石墨烯的生产

自2004年Andre Geim教授和Konstantin Novoselov教授发现石墨烯以来，一直被誉为一种“神奇材料”。作为单原子厚度的石墨烯材料，在无数理论实验中进行了测试，所有这些都表明其特性非凡，包括：

• 超薄（0.345纳米）；
• 杨氏模量为1 Tpa；
• 130 GPa的固有抗拉强度（比钢强>200倍）；
• 导热系数>3,000 WmK（石墨为2,000 WmK）；
• 光学吸收精确πα≈2.3%（即透明）；
• 对所有气体的不可渗透屏障；
• 室温电子流动性为200,000cm²/(V·s)（硅为1,400厘米²/(V·s)）；
• 击穿电流密度为107 A/mm-2（铜为1,000 A/mm-2）；以及
• 易于功能化，可集成到生产线中。

让我们把它用简单的语言来表达：石墨烯是人类已知的最坚固、最薄和最具导电性的材料。它还是透明的、不渗透的、化学惰性和生物相容性的。人们认为石墨烯的潜力仅受到我们的想象力的限制，这导致有人建议，它使我们能够生产无穷无尽的清洁水供应，电池可以在几秒钟内充电，但可以持续几天——甚至太空电梯！杰姆和诺沃塞洛夫被授予2010年诺贝尔物理学奖难道很奇怪吗？

令人不安的二分法

石墨烯已被详尽研究，可能比历史上任何材料都多。然而，经过近二十年的研究，我们留下了一个令人不安的二分法：虽然石墨烯的性质非常正确，但它们也具有严重的误导性。在现实世界条件下，“原始石墨烯”不能以任何规模合成（至少目前还没有）。此外，石墨烯已被证明是复杂和昂贵的。它的技术和商业潜力曾经被认为是无限的，这导致一些人更将其视为幻想。事实上，围绕石墨烯的炒作可能比希望更令人失望。

当然，即使是一个偶然的历史学生也可以提供一份热切持有的“真相”的洗衣清单，这些“真相”不仅被证明具有误导性，而且完全错误（例如，地球是平的，太阳围绕地球旋转，压力导致溃疡，等等）。石墨烯的情况并非如此。科学使我们能够识别和研究石墨烯，并了解其理论潜力。然而，仅靠科学无法让我们实现这一潜力。

我们生活在一个复杂而混乱的时代；并非所有事情都为人所知或预测。然而，随着时间的推移，自然界固有的秩序变得显而易见，与混乱相比，混乱通常相形见绌。有些人看到了这一点，但大多数人看不到。Adam Smith、Charles Darwin和Albert Einstein的职业生涯清楚地表明，虽然他们并不总是能完美解释这一点，但他们比大多数人更了解自然界的秩序。

定义科学

Richard Feynman是爱因斯坦的门徒。1966年4月，费曼向全国科学教师协会发表讲话，他在演讲中建议如何让学生像科学家一样思考——思想开放、好奇，特别是怀疑。在讲座期间，他给出了科学的定义，他说该定义来自几个阶段。地球上智能生命的进化——像猫这样的玩耍和学习经验的生物。人类的进化，他们开始使用语言将知识从一个人传给另一个人，为子孙后代保存信息。

当然，错误的知识可以像正确的知识一样容易传下来，所以需要再走一步。伽利略和其他人开始怀疑所传下来的真相，并从一开始就从经验中调查真实情况——因此科学诞生了。Feynman定义的科学使我们能够清楚地看到宇宙内部建立的秩序——前提是我们思想开放、好奇，并愿意怀疑我们所知道的东西。

底部有足够的空间

1959年12月，费曼在美国物理学会发表了题为“底部有足够的空间”的演讲。Feynman本人将谈话的重点描述为“小规模操纵和控制事物的问题”。它经常被引用为纳米技术的诞生，它仍然为了解我们周围的世界提供了关键的见解——在试图理解石墨烯时，它非常有价值。

Feynman在演讲中说：“我不怕考虑最后一个问题，即最终——在伟大的未来——我们是否可以以我们想要的方式排列原子……如果我们能以我们想要的方式逐一排列原子，会发生什么？（例如，在实际限制范围内，你不能把它们放在化学上不稳定的程度之内）。

我们可以如何处理有正确层的分层结构？如果我们真的能按照我们想要的方式排列原子，材料的性能会是什么？从理论上研究它们会很有趣。我看不出会发生什么，但我很难怀疑，当我们小规模地控制事物的排列时，由于这些物质可能具有的性质，我们可以做很多事情。

“小规模的原子在大规模上的行为无与虚无，因为它们符合量子力学定律。因此，当我们向下摆弄那里的原子时，我们正在处理不同的定律，我们可以期待做不同的事情。”

Feynman描述的材料无疑是石墨烯，尽管它只是许多此类纳米材料中的第一个。这意味着费曼所设想的“伟大未来”终于到来了。虽然这个未来还处于起步阶段——就像石墨烯一样——但我们确实有能力以我们想要的方式逐一排列原子。从现在起，我们使用的技术将被视为不可能粗糙的几年，但我们曾经派过一个人去月球，其技术比今天无处不在的智能手机更有限。

通用石墨烯

通用石墨烯的创立以释放石墨烯潜力为独特重点，并拥有一些明显（但微妙）的真理：

• 任何新材料的第一步都是发展以更低的成本有效大规模生产的能力。“工业规模”一词是“低成本”的同义词；
• 大规模生产石墨烯不是一个科学问题，而是一个工程问题；以及
• 石墨烯不是“一刀切”的材料。与金属合金非常相似，其性能可以灵活增强和更改，以满足给定应用的需求，将石墨烯与其他材料配对通常会导致后者的性能显著改善。

长期以来，石墨烯一直是巨大困惑的根源，因为它有两种化学上相同但根本不同的品种：

• “自上而下”石墨烯，来自石墨剥离；以及
• “自下而上”石墨烯，通过化学气相沉积（CVD）合成。

其他形式的碳，如石墨和金刚石，在化学上也相同，但从来没有人把它们混淆过。这两种石墨烯通常被笼统地归类为同一类型，两者都具有相似的令人印象深刻的特性，但任何熟悉这两种类型的石墨烯的人都不会混淆它们。石墨剥离片是一种黑色粉末，尽管通常被描述为“片状”，但每个颗粒的测量通常不到几微米。相反，CVD石墨烯是一种透明的连续薄膜，可以用平方米测量，尽管100平方厘米的样品要常见得多。

获取石墨烯

大约十年前，人们已经确定，使用普通实验室的“管炉”通过CVD获得最高质量的石墨烯。这个过程非常简单。封闭的石英管充当反应室。将催化金属基板（通常是铜或镍箔）放入管子，并清除氧气以产生惰性大气，而管子则加热到非常高温（>1,000°C）。气体碳（如甲烷或CH4）以微量（即百万分之几）引入，然后脱氢（碳与氢分离），最终沉积在催化金属箔上，形成连续石墨烯薄膜。

不幸的是，CVD过程历来缓慢。鉴于石英管的尺寸限制，只能生产少量石墨烯，每批都是一个独特而孤立的过程，非常昂贵。换句话说，通过传统CVD合成的石墨烯与现代工业流程相反，现代工业流程要求高产量、持续可复制的结果和低成本。将批处理流程转换为连续生产线是一个艰巨的挑战，但与大多数创新一样，简单性是关键。

通用石墨烯的成立主要目标是将CVD转换为工业规模的过程。如上所述，我们认识到这是通过商业化需求实现更低成本的唯一有意义的途径。我们现在拥有专利、专有的大气CVD工艺，能够以卷对卷结构生产大量、低成本、一致和高质量的石墨烯片。通用石墨烯是唯一不使用石英管的石墨烯制造商！

我们的流程首先在模块化试点生产机器上进行了演示，进一步的设计和细化专门用于可伸缩性。我们目前的生产机器长度超过21米，可以生产300毫米宽的石墨烯薄膜，可以定制到任何长度（并可能很容易地缩放到更宽的宽度）。我们可以连续运行，因为我们的能耗在稳定状态下最小。我们的工艺输入和输出几乎相同，后者含有微量的水蒸气和CO₂。我们不使用苛刻的化学品，我们生产的所有东西都是可生物降解或可回收的。

推动创新

如上所述，石墨烯不是“一刀切”的材料。我们的流程允许我们调整石墨烯，以强调满足特定应用程序要求所需的属性。我们认识到，我们承担的每个应用程序开发项目只带来了一半的解决方案——我们理解石墨烯，但我们的商业合作伙伴了解它们的应用。只有通过结合专业知识，我们才能开发利用石墨烯提供的所有解决方案，从而产生石墨烯科学长期以来一直承诺的下一代产品。应用程序开发是一个迭代过程，需要一些耐心，但在帮助我们和其他人发现真正独特的石墨烯解决方案方面具有巨大的希望。

通用石墨烯速度快、专注、灵活，因为我们明白，将成本和性能相结合（而不仅仅是性能）是推动创新的基本协同作用。

如果您有兴趣与我们一起释放石墨烯的潜力，请考虑给我们打电话。