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激光光谱研究所团队利用OAT法实现超高垂直石墨烯薄膜生长
发布时间:2021-04-10 来源:
  

近日,我校激光光谱研究所陈旭远教授带领的团队在三维竖直石墨烯制备及储能应用领域取得突破性进展。研究成果以“Oxygen-Assisted Trimming Growth of Ultrahigh Vertical Graphene Films in a PECVD Process for Superior Energy Storage”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。论文第一作者为激光光谱研究所博士生韩杰敏,通讯作者为马一飞副教授、王梅教授和陈旭远教授,论文合作者还包括贾锁堂教授、肖连团教授。

等离子体增强化学气相沉积工艺合成的竖直石墨烯集合了石墨烯的固有特性和三维结构带来的优势,在储能领域展示出巨大前景。然而在前期研究中发现,竖直石墨烯的实际应用受到其高度饱和现象的限制,无法在高能量、高功率的超级电容器上充分发挥优势。竖直石墨烯高度通常在几百纳米至几微米,其高度饱和是由于竖直石墨烯片层随着沉积时间增长而聚合,改变了等离子体中鞘层电势使其分布趋于均匀,导致沉积过程中的活性粒子分布也趋于均匀,失去了在竖直方向的沉积优势。研究团队在此工作中开发了一种氧辅助“修正”(OAT)工艺以消除过密的石墨烯片层,阻止片层随时间增长而聚集,克服了生长过程中竖直石墨烯厚度饱和的现象。

(a)普通竖直石墨烯和超高的制备示意图 (b)无OAT生长条件下竖直石墨烯和超高竖直石墨烯的俯视图和横截面SEM图

(c)OAT生长条件下竖直石墨烯和超高竖直石墨烯的俯视图和横截面SEM图

团队成员利用这种方法合成了高达80微米的超高竖直石墨烯,并应用于超级电容器中,获得了241.35mF cm–2的面积比电容,展现出了优越的电化学性能及储能能力。值得注意的是,80微米的高度并非该合成技术所能达到的最大值,通过氧辅助“修正”工艺可以获得任意高度的竖直石墨烯。这项工作对于高负载竖直石墨烯的合成具有重要的指导意义。与IC兼容的制造工艺和出色的储能能力使得OAT竖直石墨烯在集成芯片、器件领域中具有非常大的应用潜力。

未聚合的竖直石墨烯(a)结构示意图(b)表层电势分布(c)截面图聚合后的竖直石墨烯

(d)结构示意图(e)表层电势分布(f)截面图

该工作获得了量子光学与光量子器件国家重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心、国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金的支持。

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