石墨烯化学气相沉积生长研究获进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学 作者:浙江大学

  近日,浙江大学高分子科学与工程学系、硅材料国家重点实验室陈红征教授团队的徐明生教授小组在石墨烯化学气相沉积(CVD)生长方面有新的发现,相关工作"Graphene Nucleation Preferentially at Oxygen-Rich Cu Sites Rather Than on Pure Cu Surface"发表在《先进材料》上。

  自2004年揭示石墨烯的优异性能及潜在的应用后,石墨烯受到了科学界和工业界的广泛关注;石墨烯薄膜在柔性透明导电膜等领域市场化应用的前提是高质量石墨烯薄膜的规模化可控制备技术,而可控制备技术的建立需要对石墨烯成核和成长有深刻理解。在石墨烯薄膜的CVD制备方法中,考虑到碳原子在铜中的溶解度比其它具有催化性能的金属如镍较低,铜基底被广泛用于CVD方法制备石墨烯薄膜。然而,国际上各实验室制备的石墨烯薄膜的性能差别很大、重复性很低;该团对意识到石墨烯薄膜在铜基底上的成核和成长机制可能并不清楚,控制石墨烯成核和成长的关键因素依然没有被发现。一个简单但被忽略的问题:如果催化性金属如铜基底中存在杂质,石墨烯是否真如研究者通常认为的在纯铜位置上成核和成长吗?

  俄歇电子能谱具有很高的分辨率,可以同时测试样品的表面形貌和化学组份元素分布。在前期研发的基础上,徐明生博士研究组采用扫描俄歇电子能谱对石墨烯的成核位点进行了元素分布研究。他们发现:在石墨烯晶核和晶粒处,氧的含量要比在没有石墨烯的铜基底高很多。为了揭示氧存在的位置,他们对石墨烯/铜样品进行了元素垂直分布表征,研究发现氧存在于石墨烯的下方,是在石墨烯制备过程中从铜箔体内偏析出来的。密度泛函理论的计算证明表面富氧的铜基底对碳原子的吸附力比纯铜基底更强。他们的研究结果表明:石墨烯是在富氧的铜表面而非通常认为的纯铜表面成核和成长。这一发现揭示了石墨烯如何在铜基底上成核,氧对于控制石墨烯成核位点的重要性,为石墨烯薄膜的规模化可控(图案化)生长提供了新的思路和途径。

石墨烯化学气相沉积生长研究获进展

图1:石墨烯优先在富氧的铜表面成核

  上述工作的石墨烯薄膜是该团队利用其自行研制的石墨烯薄膜制备的专业设备制备;俄歇电子能谱测试得到日本国家材料科学研究所(National Institute for Materials Science (NIMS))的Daisuke Fujita博士和Hideo Iwai博士的支持,是该团队在NIMS完成;密度泛函理论的计算由浙江大学化学系刘迎春副教授团队完成。本研究得到科技部国家国际科技合作专项、浙江省科技厅、浙江省自然科学基金、教育部新世纪优秀人才计划、国家自然科学基金等项目资助。本工作的相关内容已申请国家发明专利。

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