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Nature:大面積石墨烯單晶生長技術将實現連續量産!

該研究提出的這種制造大尺寸石墨烯單晶的方法意義重大,不僅石墨烯單晶的實際應用,同樣适合可用化學氣相沉積法生長的氮化硼、過渡金屬二硫屬化合物等其他2D材料,為這些2D材料進行工業化生産及實際應用,鋪平了道路。

說起石墨烯,幾乎家喻戶曉,其優異的機械和電學性能引起全世界科學家們瘋狂的追捧。盡管目前在實驗室中小尺寸的石墨烯單晶制備及其應用研究已經獲得了長足的進步,但是我們至今難以在生活中見到它的大規模應用,其中的一個重要原因就是難以制備出更大尺寸的石墨烯單晶。

CVD生長主要依靠前驅碳氫化合物氣體(甲烷、乙烷等)裂解産生碳原子,并在合适的基底表面生長得到石墨烯。一般來說,大面積單晶石墨烯的制備,往往需要高品質的單晶作為基底材料,然後進行外延異質生長。

譬如在适當的高溫情況下,使Cu基底表面形成Cu(111)單晶表面,然後進行外延異質生長;或者控制單點成核結晶,從而得到高品質石墨烯。這些方法或多或少都存在一些問題,不是重複性不夠好,就是高品質單晶基底難求。

Nature:大面積石墨烯單晶生長技術将實現連續量産!

圖1. CVD制石墨烯常規示意圖

因此,如何通過CVD實現單晶石墨烯的批量合成,是擺在石墨烯規模化應用面前的最大阻礙!

近日,美國能源部橡樹林國家實驗室Ivan V. Vlassiouk與萊斯大學Boris I. Yakobson、新墨西哥州立大學Sergei N. Smirnov等團隊合作,發明了一項新技術,可以生産超過1英尺的單層石墨烯單晶,有望為石墨烯等2D材料的實際應用鋪平道路。相關研究成果于3月12日在線發表于Nature Materials期刊上。(“Evolutionary selection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates”)

石墨烯的典型制備方法包括将石墨片層層剝離至單原子層厚,或者利用氣相沉積法在催化劑上逐個沉積生長成超薄的石墨烯。在這項研究中,ORNL的研究人員就采取了後者,并做了改良。

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圖2. 進化選擇生長原理

該技術采用的基本生長原理被稱之為“進化選擇生長”(Evolutionary selection growth)。”該研究的主導人之一、ORNL的Ivan Vlassiouk教授表示:“這是因為(大尺寸單晶)消除了多晶石墨烯中各個疇之間互連所産生的薄弱點。”最終生長最快的晶粒占據主導地位,得到高品質的單晶石墨烯。

“我們的方法不僅可以成為改進大尺寸單晶石墨烯生産的關鍵,而且也對其他2D材料奏效,這對于這些材料的大規模應用是必需的,”他補充道。

基于該原理,研究人員發展了一種易于拓展成卷對卷形式的CVD量産裝置:H2/Ar混合氣體正常通入爐内,CH4/Ar混合前驅氣體以小尺寸噴嘴的形式對準Cu/Ni基底,整體溫度保持在1000℃以上。基底以1-2 cm s-1的速度均勻移動。

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圖3. CVD裝置和實驗結果

其中,Ni起到增強催化活性的作用。CH4/Ar混合前驅氣體單獨以小噴嘴的形式加入,是為了減少成核位點。1000℃的高溫則是為了使碳原子更快速地、源源不斷的補充到生長過程中,避免生成新的晶核。

由此,研究人員實現了人體腳掌大小的單晶石墨烯薄膜的制備,值得一提的是,該技術對生長基底質量要求不高。通過設備優化,甚至還可以實現米級單晶石墨烯薄膜的連續化CVD控制制備。

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圖5. 石墨烯單晶取向

總體來看,該研究提出的這種制造大尺寸石墨烯單晶的方法意義重大,不僅石墨烯單晶的實際應用,同樣适合可用化學氣相沉積法生長的氮化硼、過渡金屬二硫屬化合物等其他2D材料,為這些2D材料進行工業化生産及實際應用,鋪平了道路。

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