单晶和多晶石墨烯在一种基底(Rh(111))上的可控生长

石墨烯是碳材料家族中目前最受关注的一种单原子层二维材料,是凝聚态物理学研究一些基本科学问题(比如量子霍尔效应等)的模型材料。同时,因其具有高机械性能、高透光率、极强的导热性能和高载流子迁移率等,在实际应用中也具有非常广阔的前景,例如在石墨烯晶体管、超级电容器,太阳能电池等方面的应用。如何制备出大畴区、不同堆垛形式和层数的石墨烯,并且深入理解其生长机理是广泛的应用研究的一个重要前提。当前,石墨烯的制备有多种方法,包括机械剥离、还原氧化石墨、碳化硅表面热裂解、化学气相沉积(CVD)和偏析生长等。

最近,来自北京大学刘忠范老师张艳锋老师的课题组利用具有高催化性能和高溶碳量的贵金属单晶Rh(111)作为生长基底,利用超高真空(UHV)内CVD和传统的常压CVD的材料生长方法,进行了石墨烯的制备研究,并利用扫描隧道显微镜(STM)获得了样品原子尺度的形貌。该工作发表在Small上。

该研究工作表明,UHV体系中生长时,利用Rh基底的表面催化作用,以及周期性原子排列的模板作用,可得到具有同一摩尔周期的单层石墨烯;然而在常压体系生长时,可得到少层到单层、畴区取向随机的多晶石墨烯。这两种不同的生长结果主要是因为;在UHV中600°C生长,Rh的溶碳量较低,体相中溶解的碳原子不足以偏析成为石墨烯,故表面催化生长占主导;而常压CVD体系1000°C生长时,Rh溶碳量高,降温过程中体相碳原子偏析到表面形成石墨烯。由于碳原子在体相中的迁移速率固定,故随着降温速率的提高,偏析碳原子量减少,分别形成少层和单层石墨烯。

   利用单晶的金属基底,该工作系统地研究了在不同温度、不同气压条件和不同降温速率下的石墨烯生长,并对其生长结果进行了原子尺度的精确表征,这为多晶基底上宏量材料的制备及其生长机理的研究提供了重要的实验参考。