PDF《厘米级单晶石墨烯的可控生长方法》

[Highlight] www.

whxb.pku.edu.cn 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) Acta Phys. -Chim. Sin. 2016,

32 (4), 810-810 April doi: 10.3866/PKU.WHXB201603012 厘米级单晶石墨烯的可控生长方法 刘忠范 (北京大学化学与分子工程学院,北京大学纳米化学研究中心,北京 100871) 石墨烯是一种由 sp2 杂化的碳原子构成的六元 碳环为基本单位的蜂窝状二维原子晶体.自发现以 来受到了物理、化学和材料科学界的广泛关注,相 关性能的研究取得了飞速进展

1 .值得关注的是, 它超高的电子传输速率有望让这种材料成为下一代 芯片的理想材料,能够制造高频率电子器件. 要实现石墨烯材料高性能的利用价值,需要 找到合适的大规模制备方法.目前,化学气相沉 积(CVD)法相比于其他合成方法具有易规模化、相 对成本低等优点,是制备大面积、高质量单层石 墨烯薄膜的主要合成方法.该方法通过将甲烷等 含碳前躯体在催化基底表面加热分解形成碳碎 片,然后重新组装成二维薄膜的化学反应过程来 生长石墨烯.研究发现,在金属铜箔表面生长可 以得到单层大面积多晶石墨烯

2 ,由不同取向的单 晶晶畴相互连接而成并产生晶界.通常载流子在 石墨烯中传输时,会在晶界处发生散射,传输速 率降低.因此减少晶界、提高单晶晶畴的面积是 CVD 法合成石墨烯的主要挑战.控制石墨烯的成 核密度是提高单晶晶畴尺寸的有效方法.已有研 究表明,通过对反应物浓度、生长温度、压力等 参数的优化和催化基底的特殊处理能够有效减少 成核点,将晶畴尺寸从毫米级提升到厘米级甚至 英寸级 3-6 .然而,这些制备方法的工艺参数各不 相同,并且均需要一定的前处理步骤,不甚适合 规模化生产. Advanced Materials 最近刊出了华中科技大学 王帅教授课题组的相关研究成果

7 .他们发现微量 水蒸气和氧气能够显著影响石墨烯的成核密度和 生长速率.通常储存氢气的钢瓶中有不确定含量 的水蒸气,使用不同钢瓶中的氢气,会在相同的 气氛比例下得到完全不同的生长结果.因此,实 现石墨烯单晶的稳定生长依赖于对体系中水、氧 杂质的精确控制.在CVD 系统中加入气体干燥装 置,吸附大量含量不确定的水蒸气杂质,然后定 量通入微量的氧气,能够精确控制石墨烯成核密 度和生长速率.他们通过对比实验发现,微量氧 气能在富氢环境中刻蚀基底表面的石墨烯.调节 氢气和氧气的比例能够连续控制刻蚀速率,这种 氧化性刻蚀能够有效降低石墨烯的成核密度,调 节单晶晶畴的生长速率.通过调控甲烷、氢气和 氧气合适的比例和浓度,成功地实现了厘米级单 晶石墨烯的可控生长. 王帅等人的研究结果表明,通过对气氛中微 量氧气的有效控制,可以实现高质量石墨烯薄膜 的稳定生长,并且不需要对基底做任何特殊处 理.需要指出的是,厘米级单晶石墨烯还不能满 足工业对石墨烯薄膜质量的要求,低成本快速制 备晶圆级单晶石墨烯还有许多问题有待解决. 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.;