グラフェンの製造にはいくつかの方法があり、それぞれに長所と短所がある。
代表的な方法としては、機械的剥離法、酸化グラフェンの液相剥離・還元法、化学気相成長法(CVD)などが挙げられる。
なかでもCVDは、エレクトロニクスやセンサーなどの先端用途に適した高品質のグラフェンを製造できることから、特に好まれている。
5つの主要技術を解説
1.機械的剥離
粘着テープを用いてグラファイトからグラフェン層を物理的に剥離する方法。
簡単な手法であるが、大規模生産には対応できない。
主に、高品質の少数層グラフェンサンプルを得るための研究に用いられる。
2.酸化グラフェン(GO)の液相剥離・還元法
この方法では、酸化グラフェンを液体媒体中に分散させた後、還元してグラフェンを形成する。
このプロセスは機械的剥離よりもスケーラブルであるが、還元プロセスで導入される欠陥により、導電率が低いグラフェンが得られる可能性がある。
3.化学気相成長法(CVD)
CVDは現在、工業規模でグラフェンを製造するための主要な方法である。
この方法では、金属基板(一般に銅やニッケル)上で炭素含有ガス(メタンなど)を高温で分解する。
その後、炭素原子が基板上にグラフェン層を形成する。
この方法では、均一性が高く欠陥密度の低い、高品質で大面積のグラフェン膜を製造することができる。
このプロセスでは、ガス流、温度、圧力などのパラメーターを正確に制御する必要がある。
4.ベーパートラッピング法
この技術は、単結晶の大粒径グラフェンを合成するために用いられる。
銅箔を混合ガスにさらすという特殊なセットアップが必要であり、これにより、大きな花形の結晶粒を持つグラフェンの成長が促進される。
この方法は、粒界を最小限に抑えた高品質のグラフェンを必要とする用途に特に有効である。
5.さまざまな基板上での成長
CVDプロセスにおける基板(銅やニッケルなど)の選択は、生成されるグラフェンの品質や特性に大きく影響する。
銅は、欠陥の少ない単層グラフェンを製造できることから好まれ、ニッケルは多層グラフェンの成長を可能にする。
基板の役割は、炭素原子の拡散と析出を制御する上で極めて重要であり、これが最終的にグラフェンの品質を決定する。
まとめると、機械的剥離や液相剥離は研究や小規模な応用に有用であるが、CVDは高品質グラフェンの大規模生産に最も効果的な方法として際立っている。
ベーパートラッピングのような先進技術の開発により、さまざまな用途に合わせた特殊な特性を持つグラフェンを製造するCVDの能力はさらに高まっている。
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