武汉大学付磊教授课题组:石墨烯单晶生长新纪录

最近,武汉大学付磊教授课题组通过化学气相沉积法(CVD)在液态铜上实现了石墨烯大单晶的快速生长,其最快生长速率高达79 μm s‒1,刷新了目前关于石墨烯快速生长的记录。该工作发表在Science China Materials 上。

石墨烯,尤其是石墨烯单晶,具有很多独特的性质,如极高的本征载流子迁移率、极大的热导率、超高的硬度和优异的透光性,因而被广泛应用于光电器件领域,是一种明星材料。石墨烯的性能能否达到预期并在未来器件领域中大展身手,关键在于高效制备高质量的石墨烯单晶。在过去几年中,关于石墨烯单晶制备方法的报道层出不穷,各展异彩。

最近,武汉大学付磊教授课题组通过化学气相沉积法(CVD)在液态铜上实现了石墨烯大单晶的快速生长,其最快生长速率高达79 μm s1,刷新了目前关于石墨烯快速生长的记录。该工作发表在Science China Materials 上。

液态金属是理想的石墨烯生长天然基底,可同时实现石墨烯的低密度成核和快速生长。液态金属催化剂具有准原子级平滑表面、高扩散速率,可避免固态金属基底固有的缺陷和晶界。液态铜中丰富的自由电子可以加快石墨烯的成核速度,促使石墨烯秒速成核。同时,各向同性的平滑表面大大抑制了石墨烯的成核密度。此外,由于液态铜具有优异的流动性,加速了碳原子在基底表面的传质,进一步促进了石墨烯的快速生长。

武汉大学付磊教授课题组:石墨烯单晶生长新纪录

石墨烯在液态铜表面的成核与生长

付磊教授课题组对石墨烯在固态铜和液态铜上的成核和生长行为进行了系统地研究。与固态铜相比,石墨烯在液态铜上的成核密度大大降低,对应的成核活化能也显著减小。生长速率对比表明,石墨烯在液态铜上的生长速率比在固态铜上的生长速率高近两个数量级。利用碳同位素标记拉曼光谱和飞行时间二次离子质谱追踪液态铜中碳原子的分布情况,探究液态铜体系中石墨烯的生长动力学。

研究发现,13C和12C原子在每个石墨烯单晶中呈现出均匀混合的状态。与固态铜中极低的碳溶量相比,液态铜中碳溶量更高,说明液态铜具有很好的容纳碳的能力。故而,与在固态铜体系中的表面吸附生长模式不同,石墨烯在液态铜上的生长模式是表面吸附生长和体相溶解偏析共存的双元生长模式,这极大地提高了石墨烯的生长速率。这种特殊的双元生长模式得益于液态铜中含有丰富的空位,可以包埋大量的异质碳原子。

液态铜体系中石墨烯生长速率的研究既能丰富研究者们对液态金属上二维材料生长行为的认知,也为其他二维材料的生长提供理论借鉴。相信未来利用液态金属实现石墨烯快速生长的策略将扩展到各种二维材料,促进其在未来光电以及电学器件领域的应用。

参考文献:

Insight into the rapid growth of graphene single crystals on liquid metal via chemical vapor deposition, Science China Materials, 2019.

https://doi.org/10.1007/s40843-019-9406-7

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