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Rapid synthesis of micron-thick flexible graphite films via non-equilibrium carbon flux engineering

材料科学 石墨 热解炭 高定向热解石墨 热导率 碳纤维 化学工程 焦耳加热 纳米技术 镍 扩散 原子扩散 热扩散率 钴 导电体 电导率 蒸发 工作(物理) 化学气相沉积 热的 热传导 碳纳米管
作者
Hongyi Liu,Zhen Wang,Xu Wang,Jiayu Chang,Xinfu Hou,Linxuan Li,Mengyuan Liu,X. Z. Zeng,Cai Qi,Qingyu Zhou,Junwei Deng,Chengjin Wu,Sicong Zheng,Zhenyu Li,Mengxi Liu,Wu Zhou,Bo Sun,Luzhao Sun,Zhongfan Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70028-8
摘要

Abstract The scalable synthesis of high-quality graphite materials remains a formidable challenge due to the inherent trade-off between crystalline perfection and manufacturing efficiency. Existing forms of graphite, such as highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and Kish graphite, suffer from sluggish pyrolytic processes, limited carbon diffusion rates and energy-intensive protocols, often requiring several days for production. Here, we report a pulsed Joule heating-induced carburization (PJHIC) strategy that exploits transient non-equilibrium states to enable rapid carbon diffusion and segregation in metal substrates. By applying instantaneous thermal shocks ( > 1300 °C, > 300 °C/s heating rate) to solid carbon precursor-coated nickel and cobalt foils, we demonstrate the rapid carbon transport in bulk metals and achieve a vertical graphite growth rate of 730 nm/min, which is an order of magnitude faster than conventional methods. Cyclic temperature pulses further enable the synthesis of 1–5 μm-thick ABA-stacked graphite films with millimeter-scale grain sizes. The resulting rapid epitaxially grown graphite films exhibit a highly ordered crystalline structure and exceptional thermal conductivity (1314 W m –1 K –1 ), comparable to high-quality HOPG and Kish graphite. This work establishes a non-equilibrium synthesis paradigm for high-quality layered materials, bridging atomic-scale precision with industrial-scale manufacturing.
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