耿德超教授、胡文平教授， Chem. Mater. 研究论文：液态铜银合金上制备自组装石墨烯阵列

文 章 信 息

液态铜银合金上制备自组装石墨烯阵列

第一作者：范怡萱

通讯作者：李琳*，耿德超*，胡文平*

单位：天津大学，武汉大学

研 究 背 景

自组装二维晶体具有完美的原子平面结构，由于其优越的物理性质和广泛应用而引起了人们的关注。以石墨烯为例，尺寸和取向均匀性良好的石墨烯阵列在集成电路领域有着十分重要的优势。

然而，在合金表面石墨烯的成核和生长阶段的精确操作尚未实现，因此大尺寸二维晶体阵列的生产制备受到限制。在这种情况下，对新型合金催化剂的探索一直是人们关注的焦点。

文 章 简 介

基于此，来自天津大学的李琳讲师、耿德超教授和胡文平教授在国际知名期刊Chem. Mater.上发表题为“Self-assembly graphene arrays on liquid Cu-Ag alloy”的研究性文章。

该文章介绍了通过液态Cu-Ag合金的引入，实现了石墨烯的精确成核和生长，成功制备自组装石墨烯阵列。此外，通过适当调节Cu-Ag合金的成分，还可以得到石墨烯单晶的形状演变，从而可控地形成圆形石墨烯阵列。最后，通过石墨烯与金属表面的结合能进一步解释了石墨烯在液态Cu-Ag催化剂上的生长机理。

图1. 液态铜银合金上制备自组装石墨烯阵列及对石墨烯形貌的调控

文 章 要 点

要点一：尺寸和取向高度均一的石墨烯阵列

在含10%Ag的液态Cu-Ag合金上，石墨烯晶体的形状主要为六边形。六边形石墨烯晶体的边缘几乎平行于一条线，表明生长的石墨烯阵列具有优异的取向均匀性。这可能归因于单个石墨烯晶体在每个方向上具有相同的静电斥力。

石墨烯晶粒的旋转角度和距离也表现出优越的统一性，同时石墨烯晶粒尺寸在3 μm左右。由于Cu-Ag合金上的成核点均匀且种子同时生长，获得了具有良好尺寸一致性的石墨烯晶体。此外，生长在Cu-Ag上高度均匀的石墨烯阵列最大尺寸可以达到厘米级。

图2. 在液态Cu-Ag衬底上制备的大规模和高度定向石墨烯阵列(图a和b的scale bar 分别为10 μm和5 μm)

要点二：调节铜银合金的比例实现石墨烯形貌的转变

石墨烯的尺寸和形貌与Ag含量密切相关。通过调节Cu-Ag合金的成分，可以对石墨烯阵列的形貌进行精确控制。当Ag含量较低时，石墨烯倾向于长成六边形阵列；而当Ag含量较高时，则形成圆形阵列，这可能是由于Cu和Ag表面碳原子扩散势垒的差异。

此外，通过调整合金比例，可以石墨烯的尺寸进行控制。随着Ag含量的增加(低于20%)，六方石墨烯的尺寸减小，这可能是由于晶粒生长之间的竞争关系导致的。但在Ag含量较高(20%~30%)时，石墨烯主要受Ag表面为主的形核生长影响，其尺寸与Ag含量关系不密切，趋于稳定。因此，当Ag含量高于30%时，需要改变生长条件来制备高质量的石墨烯。

图3. Ag含量对石墨烯尺寸和形貌的影响（图中的scale bar为5 μm）

文 章 链 接

Self-assembly graphene arrays on liquid Cu-Ag alloy

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c02390

通 讯 作 者 简 介

胡文平 教授.

中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。中国科学院”百人计划”入选者，”国家杰出青年科学基金”获得者。1993年毕业于湖南大学化学化工系，1996年在中国科学院金属研究所获得硕士学位。1999年在中国科学院化学研究所获得博士学位。同年，在日本学术振兴会（JSPS）的资助下，赴日本大阪大学太阳能化学研究中心工作；2001年，在德国洪堡基金的资助下赴德国斯图加特大学第一物理研究所工作。2003年4月加入日本电话电讯株式会社（NTT），同年9月底入选中国科学院”百人计划”，归国。长期致力于有机半导体物理化学的研究。发表SCI论文500余篇（IF>10.0的200余篇），包括Nature (1篇)，Nature Chem. (1篇), Nature Commun.（8篇），Adv. Mater. (100篇)，J. Am. Chem. Soc. + Angew. Chem. Int. (58篇)，被SCI引用>31,000次(H因子=88)。

第 一 作 者 简 介

范怡萱 天津大学理学院研究生

主要研究方向为CVD制备二维材料及其应用.

课 题 组 介 绍

http://tjmos.tju.edu.cn/huwenping/