厘米級單晶石墨烯的可控生長方法

劉忠范(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，北京100871)

厘米級單晶石墨烯的可控生長方法

劉忠范
(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，北京100871)

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石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子構成的六元碳環為基本單位的蜂窩狀二維原子晶體。自發現以來受到了物理、化學和材料科學界的廣泛關注，相關性能的研究取得了飛速進展1。值得關注的是，它超高的電子傳輸速率有望讓這種材料成為下一代芯片的理想材料，能夠制造高頻率電子器件。

要實現石墨烯材料高性能的利用價值，需要找到合適的大規模制備方法。目前，化學氣相沉積(CVD)法相比于其他合成方法具有易規模化、相對成本低等優點，是制備大面積、高質量單層石墨烯薄膜的主要合成方法。該方法通過將甲烷等含碳前軀體在催化基底表面加熱分解形成碳碎片，然后重新組裝成二維薄膜的化學反應過程來生長石墨烯。研究發現，在金屬銅箔表面生長可以得到單層大面積多晶石墨烯2，由不同取向的單晶晶疇相互連接而成并產生晶界。通常載流子在石墨烯中傳輸時，會在晶界處發生散射，傳輸速率降低。因此減少晶界、提高單晶晶疇的面積是CVD法合成石墨烯的主要挑戰。控制石墨烯的成核密度是提高單晶晶疇尺寸的有效方法。已有研究表明，通過對反應物濃度、生長溫度、壓力等參數的優化和催化基底的特殊處理能夠有效減少成核點，將晶疇尺寸從毫米級提升到厘米級甚至英寸級3－6。然而，這些制備方法的工藝參數各不相同，并且均需要一定的前處理步驟，不甚適合規模化生產。

Advanced Materials最近刊出了華中科技大學王帥教授課題組的相關研究成果7。他們發現微量水蒸氣和氧氣能夠顯著影響石墨烯的成核密度和生長速率。通常儲存氫氣的鋼瓶中有不確定含量的水蒸氣，使用不同鋼瓶中的氫氣，會在相同的氣氛比例下得到完全不同的生長結果。因此，實現石墨烯單晶的穩定生長依賴于對體系中水、氧雜質的精確控制。在CVD系統中加入氣體干燥裝置，吸附大量含量不確定的水蒸氣雜質，然后定量通入微量的氧氣，能夠精確控制石墨烯成核密度和生長速率。他們通過對比實驗發現，微量氧氣能在富氫環境中刻蝕基底表面的石墨烯。調節氫氣和氧氣的比例能夠連續控制刻蝕速率，這種氧化性刻蝕能夠有效降低石墨烯的成核密度，調節單晶晶疇的生長速率。通過調控甲烷、氫氣和氧氣合適的比例和濃度，成功地實現了厘米級單晶石墨烯的可控生長。

王帥等人的研究結果表明，通過對氣氛中微量氧氣的有效控制，可以實現高質量石墨烯薄膜的穩定生長，并且不需要對基底做任何特殊處理。需要指出的是，厘米級單晶石墨烯還不能滿足工業對石墨烯薄膜質量的要求，低成本快速制備晶圓級單晶石墨烯還有許多問題有待解決。

References

(1)Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.; Zhang,Y.;Dubonos,S.V.;Grigorieva,I.V.;Firsov,A.A. Science 2004,306,666.doi:10.1126/science.1102896

(2)Li,X.;Cai,W.;An,J.;Kim,S.;Nah,J.;Yang,D.;Piner,R.; Velamakanni,A.;Jung,I.;Tutuc,E.;Banerjee,S.K.;Colombo, L.;Ruoff,R.S.Science 2009,324,1312.doi:10.1126/ science.1171245

(3)Yan,Z.;Lin,J.;Peng,Z.;Sun,Z.W.;Sun,Z.Z.;Zhu,Y.;Li,L.; Xiang,C.S.;Samuel,E.L.;Kittrell,C.;Tour,J.M.ACS Nano 2013,6,9110.doi:10.1021/nn303352k

(4)Zhou,H.;Yu,W.J.;Liu,L.;Cheng,R.;Chen,Y.;Huang,X.; Liu,Y.;Wang,Y.;Huang,Y.;Duan,X.Nat.Commun.2013,4, 2096.doi:10.1038/ncomms3096

(5)Hao,Y.;Bharathi,M.S.;Wang,L.;Liu,Y.;Chen,H.;Nie,S.; Wang,X.;Chou,H.;Tan,C.;Fallahazad,B.;Ramanarayan,H.; Magnuson,C.W.;Tutuc,E.;Yakobson,B.I.;McCarty,K.F.; Zhang,Y.W.;Kim,P.;Hone,L.;Colombo,L.;Ruoff,R.S. Science 2013,342,720.doi:10.1126/science.1243879

(6)Wu,T.;Zhang,X.;Yuan,Q.;Xue,J.;Lu,G.;Liu,Z.;Wang,H.; Wang,H.;Ding,F.;Yu,Q.;Xie,X.;Jiang,M.Nat.Mater.2016, 15,43.doi:10.1038/nmat4477

(7)Guo,W.;Jing,F.;Xiao,J.;Zhou,C.;Lin,Y.;Wang,S.Adv. Mater.2016,doi:10.1002/adma.201503705

10.3866/PKU.WHXB201603012