Graphene has been called "the wonder material of the 21st century." Since its discovery in 2004, the material—a single layer of carbon atoms—has been touted for its host of unique properties, which include ultra-high electrical conductivity and
石墨烯被称为“21世纪的神奇材料”。自2004年被发现以来，这种由单层碳原子组成的材料一直因其独特的性能而备受吹捧，其中包括超高电导率和非凡的抗拉强度。它有潜力改变电子、储能、传感器、生物医学设备等。但石墨烯有一个肮脏的小秘密：它是肮脏的
现在，哥伦比亚大学的工程师以及蒙特利尔大学和国家标准与技术研究所的同事准备用无氧化学气相沉积（of-CVD）方法进行清理，该方法可以大规模制造高质量的石墨烯样品
他们的工作于5月29日发表在《自然》杂志上，直接展示了微量氧气如何影响石墨烯的生长速度，并首次确定了氧气与石墨烯质量之间的联系
“我们表明，从生长过程中几乎消除所有氧气是实现可重复、高质量CVD石墨烯合成的关键，”资深作者、哥伦比亚工程学院机械工程教授王方仁James Hone说。“这是石墨烯大规模生产的里程碑。”
石墨烯历史上有两种合成方式之一。有一种“透明胶带”的方法，即使用家用胶带从大量石墨样品（与铅笔芯中的材料相同）上剥离各个层
这种剥落的样品可以非常干净，不含杂质，否则会干扰石墨烯的理想性能。但是，它们往往太小了&mdash；只有几十微米的直径&ndash；用于工业规模的应用，因此更适合实验室研究
为了从实验室探索转向现实世界的应用，研究人员在大约15年前开发了一种合成大面积石墨烯的方法。这一过程被称为CVD生长，在足够高的温度（约1000°C）下，将含碳气体（如甲烷）通过铜表面，甲烷分解，碳原子重新排列，形成单个蜂窝状石墨烯层
CVD生长可以放大以产生厘米甚至米大小的石墨烯样品。然而，尽管世界各地的研究小组进行了多年的努力，CVD合成的样品仍存在再现性和质量可变的问题
问题在于氧气。在之前的出版物中，来自蒙特利尔的合著者Richard Martel和Pierre Levsque已经表明，微量的氧气可以减缓生长过程，甚至蚀刻掉石墨烯。因此，大约六年前，GSAS’19的Christopher DiMarco设计并构建了一个CVD生长系统，可以仔细控制沉积过程中引入的氧气量
现任博士生Yan Xingzhou和Jacob Amontree继续DiMarco的工作，进一步改善了生长系统。他们发现，当微量氧气被消除时，CVD的生长速度要快得多；并且每次都给出相同的结果。他们还研究了无氧CVD石墨烯生长的动力学，发现一个简单的模型可以预测一系列不同参数的生长速率，包括气压和温度
事实证明，of CVD生长的样品的质量与剥离石墨烯的质量几乎相同。在与哥伦比亚大学物理系的同事合作下，他们的石墨烯展示了磁场下分数量子霍尔效应的惊人证据，这种量子现象以前只在超高质量的二维电气系统中观察到
从这里开始，该团队计划开发一种方法，将高质量的石墨烯从金属生长催化剂中干净地转移到其他功能衬底，如硅；拼图的最后一块，以充分利用这种神奇的材料
阿莫特里和严说：“我们都对石墨烯及其潜力着迷。”。“在过去四年的博士生涯中，我们进行了无数次实验，合成了数千个样本。看到这项研究最终取得成果，真是梦想成真。”