扩展单晶石墨烯

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)自然—材料 作者:自然—材料

  晶粒在成核、生长以及聚合的时候,晶体结构的周期性总是会被打破,所以我们实际应用的材料一般都是多晶的。对于三维材料来说,晶粒的尺寸还有它们之间的晶界对材料本身的物理性质有着巨大的影响。例如在金属中,晶界提高了材料的强度,但对导电性有着不利影响。

  同样,二维材料,典型的如石墨烯应该也存在着类似的情况。一些研究指出采用气相沉积法在金属衬底上生长出的石墨烯就存在不同晶粒间的晶界,而晶界的确会影响石墨烯的导电性能,那些展现了出色的导电性能的石墨烯基本上都是用天然石墨剥离出来的。

  因此,科学家追求的是控制石墨烯晶粒的成核和生长,从而得到大片的单晶石墨烯。美国休斯顿大学,德州州立大学助理教授于庆凯(Qingkai Yu)与普度大学助理教授陈勇共同领导的科研小组在《自然—材料(Nature Materials)》上的论文,还有德克萨斯大学奥斯汀分校教授Rodney Ruoff科研小组最近发表于《美国化学学会会刊(JACS)》的论文都提出了改进石墨烯生长,获取更大的单晶石墨烯的方法,后者已经可以得到几分之一毫米大小的单晶石墨烯。两项研究都是用铜作为石墨烯生长的衬底,于庆凯的研究显示,铜本身的晶粒间的边界对石墨烯晶体的生长没有造成影响。通过SP2杂化轨道成键的碳原子之间结合力量非常强,克服了衬底金属的干扰。

  Ruoff团队采用的方法是采用低分压的甲烷气体作为原材料,这样沉积产生的晶核密度低,晶体生长也比较缓慢,这两点对于形成大尺寸的单晶石墨烯都是非常关键的。而于庆凯则采用了半导体工艺中常用的种子方法,在铜衬底上放置好石墨烯晶核,然后生长出连续的石墨烯晶体。

  石墨烯不是唯一的二维材料,氮化硼、双硫属化合物和拓扑绝缘体等也都是很有希望的新材料,对石墨烯生长的研究将会对二维材料的发展提供宝贵的经验。

  来源: 《自然—材料》5月8日论文摘要

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