化学所在高质量石墨烯和氮化硼的制备及其性能研究方面取得系列进展

高质量二维原子晶体的可控制备是基础研究和应用开发的前提,目前是迫切需要优先研究的重大基础科学问题之一。可控制备的最终目的是获得大面积、单层和单晶结构的二维原子晶体。 

在中国科学院、科技部和国家自然科学基金委的大力支持下,化学所有机固体重点实验室的相关科研人员最近在石墨烯、氮化硼的可控制备和性能研究方面取得重要进展,有关结果均发表在Adv. Mater.上。 

介电层上直接生长单晶石墨烯。化学气相沉积法(CVD)因兼有高质量和宏量的优点已成为石墨烯制备的最重要的方法之一。但利用这种方法制备的石墨烯一般都需要转移到其它介电层上,才能制备石墨烯器件和电路,转移过程将带来石墨烯破损、褶皱、污染以及材料浪费等问题。因此,能否在介电层上直接生长石墨烯就具有重要的科学意义和巨大的技术需求。它与目前硅电子学的加工工艺兼容,石墨烯不需要转移,可以直接用于器件的制备和组装。在前期工作中,研究人员发明了氧辅助法,在二氧化硅绝缘材料上直接制备了石墨烯薄膜(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17548)。随后他们又发现通过两段化学气相沉积方法,控制石墨烯的成核点和晶区尺寸,实现了在氮化硅表面上的直接生长。制备的石墨烯薄膜中石墨烯畴晶的尺寸达1μm,迁移率在空气中可以达到1510 cm2 V1s1Adv. Mater.201325,992)。但上述两种方法制备的石墨烯薄膜均为多晶结构。本工作中他们开发了小气流、长时间、在接近平衡态条件下的沉积方法,在多种绝缘基底上实现了微米尺度石墨烯单晶的非金属催化生长和可控制备。最大石墨烯单晶尺寸达11微米(图1左),是文献中报道的在氮化硼基底生长的石墨烯单晶尺寸的30倍。这种石墨烯单晶具有完美的晶体结构,并且表面干净、无褶皱、无破损。由它制备的场效应晶体管的迁移率超过5000 cm2 V1s1。本研究成功地实践了中华名言“慢工出细活”,即在小气流、接近平衡态的条件下,由甲烷分解的碳原子有充足的时间重新自组装成单晶石墨烯。该研究结果发表在《先进材料》上(Adv. Mater.2014, 1348-1353),并被选为内封底(图1右)。   

图1 单晶石墨烯AFM照片(左)和《先进材料》内封底(右)

具有大畴晶尺寸的六方氮化硼(h-BN)单层薄膜的制备。近年来石墨烯在场效应晶体管方面的研究引起了人们的广泛关注,其场效应器件主要是以二氧化硅/硅为基底进行组装,该类器件由于二氧化硅表面的杂质引起的电荷散射、表面的悬空键和电荷陷阱的存在,从而无法充分展示石墨烯本身的优良性能。而六方氮化硼是宽带隙(5.9 eV)类石墨烯的2D层状结构的材料,其本身诸多优良性能,例如:高温稳定性、较好的机械性能、良好的导热性能、中等的介电常数(~4),使其拥有广泛的应用前景;与此同时其表面的不存在杂质电荷、悬空键和电荷陷阱及与石墨烯超高的晶格匹配度(大于98%),这些性能决定了其作为场效效应器件中的介电层明显优于二氧化硅。 

目前对于h-BN的制备主要是采用化学气相沉积的方法(CVD),存在的主要问题是制备过程中单片h-BN的尺寸较小,从而增加了薄膜的晶界,降低了薄膜的质量,同时在石墨烯和h-BN界面处存留杂质的存在也降低了其作为介电层在石墨烯场效应器件中的性能。针对这些问题,化学所有机固体重点实验室相关研究人员与哈工大胡平安教授合作,采用CVD的方法制备得到了20μm大小的单片三角形的h-BN(图2左上),进一步生长得到连续的薄膜,从而降低薄膜的晶界,提高了薄膜的质量。由于h-BN较高的稳定性和抗氧化性能,对利用聚甲基丙烯酸甲酯辅助转移到二氧化硅/硅基底上的薄膜,在空气中热处理除去转移过程中的残留物,得到了表面干净的h-BN薄膜。由其组装成石墨烯的场效应器件(图2左下),迁移率比不经过热处理的器件提高了6倍。该研究成果发表在《先进材料》上(Adv. Mater., 2014, 26, 1559-1564), 并被选为内封面(图2右)。

图2 三角形氮化硼的AFM照片(左上);由氮化硼、石墨烯制备的场效应器件和转移曲线(左下);《先进材料》内封面(右)

来源:中科院化学所