苏州纳米技术与纳米仿生研究所Yi Cui–不同扭转角均匀双层石墨烯的逐层生长动力学

具有不同扭曲角度的大面积均匀双层石墨烯(BLG)的合成引起了人们的广泛兴趣，但由于普遍存在的层加岛生长和无法控制的层旋转，BLG仍然是一个挑战。利用实时表面成像技术，采用逐层生长的方式在Ni(111)薄膜上实现了两步碳偏析，很好地控制了薄膜的均匀性和堆积结构。取向的第一层石墨烯通过热力学极限过程在850°C形成，然后降低温度生长第二层，最终分别在790°C和720°C实现了极其均匀的15°扭曲的BLG和720°C的AB堆积的BLG。从本质上讲，生长动力学被认为决定了对于不同的堆积结构，在相对较高的温度下，非取向的第二层比取向的第二层更具动力学优势，但在较低的温度下，情况正好相反。这项工作传达了对均匀BLG和调谐堆积结构的可控集成的基本动力学理解。

图1.通过UHV-CVD在Ni（111）上生长石墨烯层。（a–c）通过暴露于700°c下的5×10^–7毫巴C₂H₄，在清洁的Ni（111）表面上生长石墨烯覆盖层的原位LEEM图像快照。起始电压（STV）=6.3 eV。（d–f）分别从（c）中的区域1至3获取的μ-LEED图案。STV=46 eV。所有标尺均为5μm。

图2.石墨烯层分解并溶解在Ni（111）上。（a–e）在900°C下加热石墨烯层时记录的原位LEEM图像快照。STV=9.6 eV。（f） μ-石墨烯覆盖层消失后Ni（111）表面的LEED图案。STV=46 eV。所有标尺均为3μm。

图3.通过偏析在Ni（111）上生长均匀排列的单层石墨烯。（a–d）当温度从900°C降至850°C时，记录LEEM图像快照。STV=5.8 eV。（e–g）分别为（d）中1区至3区的μ-LEED图案。STV=46 eV。（h） 由排列的单层石墨烯覆盖的Ni（111）表面的示意性原子结构。所有标尺均为5μm。

图4.通过偏析在Ni（111）上均匀生长15°扭曲的第二石墨烯层。（a–h）LEEM图像快照记录了当温度从850°C降至790°C时，生长的第一层石墨烯下方第二层石墨烯的形成。STV=9.9eV。（i–k）μ-（h）中1区至3区的LEED图案。STV=46 eV。黄色菱形表示第一层石墨烯，蓝色菱形表示第二层石墨烯。（l）15°扭转BLG示意图。所有标尺均为5μm。

图5.通过偏析在Ni（111）表面上生长对齐的第二层石墨烯。（a–h）LEEM图像快照记录了当温度从850°C降至720°C时，第二层石墨烯和生长的第一层石墨烯的形成，STV=5.8 eV。（i–k）μ-LEED图案，分别位于（h）中1区至3区，STV=46 eV。（l） AB堆叠BLG示意图。所有标尺均为5μm。

图6.BLG动态增长的演示。（a）分别遵循SK和FM生长模式的石墨烯生长行为的示意图。（b） DFT计算结果：从0°到30°的一系列扭转角的BLG形成能量，以及具有典型扭转角（包括0°、10°、15°和30°）的BLG的优化表面原子结构。第一层完全覆盖的对齐石墨烯和第二层石墨烯分别涂成灰色和黄色。（c）在Ni（111）表面上合成的15°扭曲和排列的第二石墨烯层的定性Arrhenius图。（d）在第二层，取向和非取向石墨烯之间的温度依赖性生长竞争。

相关研究成果由苏州纳米技术与纳米仿生研究所Yi Cui等人2022年发表在The Journal of Physical Chemistry Letters (https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02767)上。原文：In Situ Growth Dynamics of Uniform Bilayer Graphene with Different Twisted Angles Following Layer-by-Layer Mode。