自组装单晶石墨烯阵列的制备

化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)由于成本低、可控性好、可大规模量产等优点近年来被广泛应用与石墨烯的制备中。但是,对于采用CVD方法以固态铜箔作为金属催化剂制备的大面积连续均匀的单层石墨烯薄膜来说,石墨烯晶界较多,质量不高,极大地影响了石墨烯的进一步大规模应用。相比而言,单晶石墨烯因其缺陷少、质量高而被广泛应用于高性能石墨烯器件的制备中。这其中,单晶石墨烯阵列由于其规则的排列有利于大规模器件阵列的构筑更是引起了科学家的极大兴趣。然而,由于目前制备方法的限制,大规模单晶石墨烯阵列的可控生长一直面临着巨大的难题。常用的模板刻蚀法由于其繁琐的操作过程极易引入杂质,极大地影响石墨烯的质量及其所制备器件的性能。因此,发展一种有效地制备大面积单晶石墨烯阵列的方法就显得尤为重要。中国科学院化学研究所于贵研究员课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,成功制备了大面积自组装排列的单晶石墨烯阵列。相关结果发表在Advanced Functional Materials上并被选为当期封面

该团队以液态铜作为石墨烯生长的催化剂,采用CVD方法,通过精确的调节各反应气体(CH4和H2)的比例实现了大面积六角单晶石墨烯阵列的可控制备。首先,他们结合拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段证实了该类石墨烯的单层单晶特征。另外,系统的实验表明六角单晶石墨烯可以在液态铜上进行自组装排列从而形成大面积规则的石墨烯阵列,该种行为与高温下液态铜催化剂的表面流动性密切相关。同时,他们还通过生长条件的改变(温度的调节,碳源的变化等)实现了对单晶石墨烯阵列密度和尺寸的有效调控,进一步还得到了具有规律堆垛结构的双层六角石墨烯。

大面积自组装排列的单晶石墨烯阵列会进一步促进大规模、高质量石墨烯制备领域的发展,并有望在石墨烯未来的器件应用中发挥重要的作用。