实现铜上石墨烯的超快生长

石墨烯,一种单原子层厚度的二维碳原子材料,是世界上最薄、最轻的材料,以其卓越的电学性能、极高的热导率、超强的力学性能以及良好的化学稳定性和生物兼容性,成为学术界以及产业界研究和开发的热点,它在电子信息、能源、功能材料、航空航天、节能环保、生物医药等领域都有潜在的极好用途,被认为是引领未来高端科技的战略新型材料。毋庸置疑,石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。而石墨烯的产业化进程的关键问题之一就是实现高质量单晶石墨烯的大批量制备。从最初“简单粗暴”的手撕石墨烯小片到现在精准控制的单层石墨烯薄膜,石墨烯的制备技术在不断地发展与改进。

利用化学气相沉积(CVD)法在铜箔上生长石墨烯可以有效地获得高质量的单层石墨烯。这种方法过程简单、操作容易、成本低、可调控,且获得的石墨烯易于转移到其他衬底上,因此被认为是最有可能实现石墨烯产业化制备的方法之一。然而,该方法目前还存在两个问题:(1)生长速度慢,耗时耗能,不利于产业化进程;(2)当前CVD法生长石墨烯所用的铜箔通常为多晶铜箔,使得生长的石墨烯为多晶薄膜,而晶界的存在极大地影响石墨烯的本征性质。实现石墨烯的超快生长,可以大大减少时间及能耗成本。除此之外,超快生长可以使得石墨烯一旦形核就迅速长大,从而在短时间内合成大畴区高质量的石墨烯薄膜。

Untitled从2016年起,超快石墨烯生长开始广泛引起科研工作者的关注。北京大学物理学院的刘开辉研究员课题组及其合作者系统地总结了不同因素(包括基底、气流、反应势垒及温度和压强)对铜箔上石墨烯生长速率的影响。合理的设计基底成分(Cu-Ni合金)、选择合适基地表面取向(如111取向)、优化表面处理工艺等都有助于石墨烯的快速生长。反应过程中调节CH4和H2比例,可以快速获得单层连续石墨烯薄膜。通过在反应中引入氧,可以大大降低CH4的分解势垒,从而极大地提高生长速度。合适的压强与温度设置,有益于高质量石墨烯的快速获得。另外文章还提出了短期内实现高质量石墨烯薄膜超快生长的有效途径:将超快生长与外延生长、卷对卷生长相结合,理想状态下可以实现快速、连续的石墨烯单晶薄膜生长。作者希望通过该文章的视角为高质量石墨烯薄膜的批量制备提供新思路、新方法,促成石墨烯的产业化进程。相关文章作为邀请综述发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201700087)上。

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