结合石墨烯和纳米金刚石以获得更好的微等离子体器件

微等离子体设备是在微米和毫米尺度上产生和维持等离子体的极其通用的工具。纳米技术的最新进展现在有望进一步扩大其应用范围，但到目前为止，由于一些纳米结构在维持许多等离子体所需的极端温度下的稳定性有限，这一进展受到了阻碍

在最近发表在《基础等离子体物理学》上的一项研究中，印度布巴内斯瓦尔CSIR矿物与材料技术研究所的K J Sankaran及其同事通过用更稳定的纳米金刚石（即直径小于约100nm的金刚石）装饰石墨烯片来克服这一挑战，使其能够承受更极端的条件

这种组合材料可以扩大微等离子体设备在各种有用应用中的使用，如消毒和愈合伤口、分析化学物质和显示图像

两种形式的碳

在微等离子体装置中，等离子体是通过在一对电极之间产生强电场而产生的——从它们之间的原子和分子中剥离电子。原则上，石墨烯是这些电极的理想材料。由2D碳原子片组成，自21世纪初首次表征以来，它已经得到了广泛的研究

Sankaran解释说：“石墨烯以其化学稳定性和导电性等特性而闻名。”。“然而，石墨烯在恶劣的等离子体环境中的寿命稳定性较差。”

一种更容易承受这些条件的材料是金刚石：一种原子排列在坚固的3D晶格中的碳形式。桑卡兰说：“钻石以其强大的物理和化学性能而闻名，并为电子发射器件提供了更好的稳定性。”

如果结合在一起，这两种材料的性能将更适合用于微等离子体电极，但正如Sankaran解释的那样，到目前为止，集成过程已被证明是困难的。他说：“之前整合钻石和石墨烯的尝试涉及复杂的工艺和高温。”

无缝集成

在他们的研究中，Sankaran的团队提出了一种尽可能无缝集成这两种形式碳的替代方法。他们的方法首先用强大的激光照射一片先决材料，通常是聚酰亚胺或类似的富碳聚合物，使其碳原子重新排列成石墨烯片。以这种方式生产的石墨烯被称为激光诱导石墨烯（LIG）

Sankaran解释说：“LIG是利用商用和成本效益高的仪器获得高质量石墨烯的最快、最简单的方法。”。“然而，尽管LIG最初在微等离子体显示器上显示出有希望的结果，但观察到它的衰减速度比预期的要快。”

为了防止这种衰减，研究人员对这一过程进行了进一步的研究。在制备LIG之后，他们用钻石装饰其表面，每颗钻石的直径只有几纳米

他们使用“滴注”技术应用了这一步骤：这涉及在富碳溶液中播种金刚石纳米晶体的生长，将一小滴溶液放置在LIG表面，并使其干燥。当以这种方式应用时，“纳米金刚石不仅均匀，而且提高了石墨烯的质量，”Sankaran说

提升器件性能

组装材料后，研究人员最终可以在实际的微等离子体器件中测试其作为阴极的性能。结果非常有希望

Sankaran说：“嵌入纳米金刚石的石墨烯的均匀纤维结构在恶劣的等离子体环境中表现出显著的稳定性。”。“这使其能够长期作为稳定的阴极。”

Sankaran的团队展示了他们简单且经济高效的技术，现在希望它很快能更广泛地应用于制造微等离子体器件。这反过来又可以在不久的将来更容易地获得它们在研究、医学甚至商业应用中的众多益处 More information: S. Suman et al, High stability plasma illumination from micro discharges with nanodiamond decorated laser induced graphene electrodes, Fundamental Plasma Physics (2024). DOI: 10.1016/j.fpp.2024.100047