劉忠范(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

厘米級(jí)單晶石墨烯的可控生長(zhǎng)方法

劉忠范
(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

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石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子構(gòu)成的六元碳環(huán)為基本單位的蜂窩狀二維原子晶體。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)受到了物理、化學(xué)和材料科學(xué)界的廣泛關(guān)注，相關(guān)性能的研究取得了飛速進(jìn)展1。值得關(guān)注的是，它超高的電子傳輸速率有望讓這種材料成為下一代芯片的理想材料，能夠制造高頻率電子器件。

要實(shí)現(xiàn)石墨烯材料高性能的利用價(jià)值，需要找到合適的大規(guī)模制備方法。目前，化學(xué)氣相沉積(CVD)法相比于其他合成方法具有易規(guī)模化、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是制備大面積、高質(zhì)量單層石墨烯薄膜的主要合成方法。該方法通過(guò)將甲烷等含碳前軀體在催化基底表面加熱分解形成碳碎片，然后重新組裝成二維薄膜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)生長(zhǎng)石墨烯。研究發(fā)現(xiàn)，在金屬銅箔表面生長(zhǎng)可以得到單層大面積多晶石墨烯2，由不同取向的單晶晶疇相互連接而成并產(chǎn)生晶界。通常載流子在石墨烯中傳輸時(shí)，會(huì)在晶界處發(fā)生散射，傳輸速率降低。因此減少晶界、提高單晶晶疇的面積是CVD法合成石墨烯的主要挑戰(zhàn)。控制石墨烯的成核密度是提高單晶晶疇尺寸的有效方法。已有研究表明，通過(guò)對(duì)反應(yīng)物濃度、生長(zhǎng)溫度、壓力等參數(shù)的優(yōu)化和催化基底的特殊處理能夠有效減少成核點(diǎn)，將晶疇尺寸從毫米級(jí)提升到厘米級(jí)甚至英寸級(jí)3－6。然而，這些制備方法的工藝參數(shù)各不相同，并且均需要一定的前處理步驟，不甚適合規(guī)模化生產(chǎn)。

Advanced Materials最近刊出了華中科技大學(xué)王帥教授課題組的相關(guān)研究成果7。他們發(fā)現(xiàn)微量水蒸氣和氧氣能夠顯著影響石墨烯的成核密度和生長(zhǎng)速率。通常儲(chǔ)存氫氣的鋼瓶中有不確定含量的水蒸氣，使用不同鋼瓶中的氫氣，會(huì)在相同的氣氛比例下得到完全不同的生長(zhǎng)結(jié)果。因此，實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶的穩(wěn)定生長(zhǎng)依賴于對(duì)體系中水、氧雜質(zhì)的精確控制。在CVD系統(tǒng)中加入氣體干燥裝置，吸附大量含量不確定的水蒸氣雜質(zhì)，然后定量通入微量的氧氣，能夠精確控制石墨烯成核密度和生長(zhǎng)速率。他們通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微量氧氣能在富氫環(huán)境中刻蝕基底表面的石墨烯。調(diào)節(jié)氫氣和氧氣的比例能夠連續(xù)控制刻蝕速率，這種氧化性刻蝕能夠有效降低石墨烯的成核密度，調(diào)節(jié)單晶晶疇的生長(zhǎng)速率。通過(guò)調(diào)控甲烷、氫氣和氧氣合適的比例和濃度，成功地實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)單晶石墨烯的可控生長(zhǎng)。

王帥等人的研究結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)氣氛中微量氧氣的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜的穩(wěn)定生長(zhǎng)，并且不需要對(duì)基底做任何特殊處理。需要指出的是，厘米級(jí)單晶石墨烯還不能滿足工業(yè)對(duì)石墨烯薄膜質(zhì)量的要求，低成本快速制備晶圓級(jí)單晶石墨烯還有許多問(wèn)題有待解決。

References

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10.3866/PKU.WHXB201603012