Carbon：离子注入结合催化剂空间限域策略实现绝缘衬底高质量石墨烯生长

摘要

本研究采用离子注入技术实现催化剂的均匀负载，提供了更均匀的石墨烯成核位点。尽管高温下催化剂的有效作用时间仅占20%，但通过引入空间限域策略，成功将催化剂的活性时间延长至75%以上，显著提升了生长效率和石墨烯的质量。

关于文章

石墨烯是一种由单原子层构成的二维材料，其原子以六方蜂窝晶格结构排列。sp²杂化特性赋予了其优异的电学性能，使石墨烯在电子器件领域具备广泛的应用前景。目前，石墨烯基电子器件的应用主要集中于半导体或绝缘基底，而相对更利于石墨烯生长的金属基底的应用仍较为有限。现有的制备方法主要包括转移法和直接生长法，但转移法可能引入缺陷、褶皱等问题，对石墨烯的电学和力学性能产生不利影响。 因此，在目标基底上直接生长石墨烯展现出更大的应用潜力。然而，绝缘基底的直接生长面临两大核心挑战：催化惰性和成核不均匀性。针对催化惰性问题，有研究者开发了远程金属催化和旋涂金属催化等策略。例如，采用铜蒸气辅助CVD工艺在介电基底上直接合成高质量无缺陷的单层石墨烯，但需精确控制甲烷/氢气的比例，并且铜蒸气的吸附沉积存在显著的工艺挑战；在石英玻璃或Si/SiO₂基底上沉积锗时，所得石墨烯的ID/IG值较高且生长时间超过300分钟。这些方法虽在一定程度上缓解了催化惰性，但催化剂的分布不均易导致生长不一致，且金属蚀刻残留可能引入杂质。

本团队的前期研究展示了纳米粒子局域催化的优势，但传统旋涂工艺导致催化剂的分布不均。相比之下，离子注入技术能够实现催化剂的均匀负载，为石墨烯提供更均一的成核位点。该技术允许精确调控催化剂的剂量与分布，但实验发现高温下注入的催化剂金属离子会迅速逃逸，其有效作用时间仅占生长总时长的约20%，这表明催化剂的活性持续时间存在显著提升空间。本研究采用离子注入协同空间限域的策略，通过引入空间限域的方式来延长离子注入催化剂的活性时间。在生长过程中，释放的离子被有效捕获在催化前线，确保其在更长的生长周期内持续发挥作用。实验结果表明，该策略使催化剂离子的活性时间提升至总生长时长的75%以上。通过COMSOL模拟验证了空间限域对于延长催化剂离子活性时间的关键作用。该创新方法显著提升了催化效率，并将生长时间缩短至250%（本研究实现完全覆盖仅需2小时，而仅离子注入生长需要5小时，未采用离子注入也未采用空间限域的绝缘衬底上需要8h），最终成功制备出高质量石墨烯玻璃。

文章信息

Ion implantation-driven high-quality graphene growth on insulating substrates with catalyst spatial confinement

Yang Xu, Yue Li, Liu Qian, Shurui Wang, Yunbiao Zhao *, Ziqiang Zhao*

Carbon

DOI:10.1016/j.carbon.2025.120183