Advanced Materials:界面力调控粘毛辊法制备超洁净石墨烯

表面污染一直是纳米科技中非常关注的问题,会影响到一切与表界面相关的性质。对于石墨烯等二维材料,可以认为它们只有表面,因此表面污染会严重影响它们的性能。近年来发展的表面清洁方法大多聚焦于转移过程引入的高聚物污染,仍然不能有效地实现大面积超洁净石墨烯薄膜的制备。

北京大学刘忠范-彭海琳课题组对石墨烯的污染来源进行了详细地研究,认为去除CVD过程中产生的无定形碳污染物最为关键。通过对无定形碳污染物结构以及其和石墨烯相互作用的分析,该研究团队提出了使用活性炭这种大比表面积且具有丰富地活性末端的碳材料对石墨烯表面进行清洁。为了解决活性炭本身的残留问题,他们采用了粘结技术,将活性炭复合到多孔材料上并做成滚轮,并构建了相应的装置。通过在一定温度、压力下,对石墨烯表面进行滚动处理,实现了洁净度高达99%的超洁净石墨烯的制备。

该团队发现,本征污染物的消除也会大大降低转移引入的高聚物残留,因而具有优良的物理化学性质。通过对超洁净石墨烯进行微纳加工制作场效应晶体管阵列,并利用变换沟道法测量,他们发现所制备的超洁净石墨烯与金属之间具有超低的接触电阻118 Ωμm。同时,他们与曼彻斯特大学Novoselov教授团队合作,将石墨烯封装于六方氮化硼(hBN)中形成三明治结构,测量其场效应迁移率高达400,000 cm2 V-1s-1,霍尔迁移率高达500,000 cm2 V-1s-1。这些优良的电学性质可以与机械剥离的样品相媲美,对未来石墨烯在电子学器件中的应用奠定了基础。此外,超洁净石墨烯也为电化学及能源领域中研究石墨烯本征性质提供了更纯净的平台。

相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201902978)上。