研究人員提出了第一個利用一氧化碳作為碳源的石墨烯合成技術。這是一種快速和廉價的方法，可以用相對簡單的設備生產高質量的石墨烯，用於電子電路、氣體傳感器、光學等領域。這項研究由來自斯科爾科沃科技學院（Skoltech）、莫斯科物理技術學院（MIPT）、俄羅斯科學院固體物理研究所、阿爾託大學和其他機構的科學家們進行。該研究已在著名的《先進科學》雜誌上發表。
化學氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標準技術，石墨烯是由碳原子以蜂窩狀排列組成的一原子厚的薄片，具有無與倫比的特性，可用於電子應用等方面。CVD通常涉及碳原子脫離氣體分子，並在真空室中以單層形式沉澱在基材上。銅是一種流行的基材，使用的氣體一直是碳氫化合物：甲烷、丙烷、乙炔、烈酒等。
“用一氧化碳合成石墨烯的想法很久以前就有了，因為這種氣體是生長單壁碳納米管最方便的碳源之一。我們對一氧化碳有近20年的工作經驗。然而，我們第一次使用石墨烯的實驗並不成功，我們花了很長時間才了解如何控制石墨烯的成核和生長。”該研究的主要研究者，Skoltech教授Albert Nasibulin說：“一氧化碳的魅力在於其完全的催化分解，這使我們即使在環境壓力下也能實現單層石墨烯大晶體的自限性合成。”
“這個項目是基礎研究如何惠及應用技術的傑出例子之一。”論文的共同作者，Skoltech公司的高級研究科學家Dmitry Krasnikov強調說：“由於理解了理論和實驗所驗證的石墨烯形成和生長的深層動力學機制，導致形成大型石墨烯晶體的優化條件變得可行。”
這種新方法得益於所謂的自我限制原則。在高溫下，一氧化碳分子在靠近銅基底時往往會分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一層結晶碳沉積下來，並將氣體與基底分開，這種趨勢就會消退，所以這個過程自然有利於單層的形成。基於甲烷的CVD也可以以自我限制的方式運作，但程度較輕。
“我們使用的系統有很多優點。所得的石墨烯更純，生長更快，形成的晶體也更好。此外，這種調整通過在過程中完全消除氫氣和其他爆炸性氣體來防止事故，”該研究的第一作者，Skoltech實習生Artem Grebenko說。
該方法排除了燃燒風險的事實意味着不需要真空。該設備在標準壓力下工作，使其比傳統的CVD設備簡單得多。簡化的設計反過來導致了更快的合成。Grebenko說：“從取一塊裸銅到拉出石墨烯，只需要30分鐘。”
由於不再需要真空，設備不僅工作得更快，而且還變得更便宜。研究人員強調說：“一旦你放棄了產生超高真空的高端硬件，你實際上可以用不超過1000美元的價格組裝我們的‘車庫解決方案’。”
研究的共同作者、MIPT的教授Boris Gorshunov強調了所產生材料的高質量。“每當一種新的石墨烯合成技術被提出時，研究人員必須證明它能產生他們聲稱的效果。經過嚴格的測試，我們可以自信地說，我們的石墨烯確實是高等級的，可以與通過CVD由其他氣體生產的材料競爭。所產生的材料是結晶的、純的，而且有足夠大的碎片，可用於電子產品。”
除了石墨烯本身的標準應用外，還有耐人尋味的可能性，即在不清除金屬的情況下使用綁定在銅基上的石墨烯。與甲烷相比，一氧化碳對金屬有非常高的粘附能量。這意味着，隨着沉積的發生，石墨烯既能保護銅層免受化學反應的影響，又能賦予其結構，創造出一個高度發達的金屬表面，具有極大的催化性能。其他一些金屬，如釕和鈀，也會在這種情況下發揮作用，為具有不尋常表面的新型材料開闢一條途徑。