吳凱

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

Re(0001)上石墨烯通過高溫退火轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘偬蓟锏倪^程：石墨烯在高溫下發(fā)生裂解，碳原子向體相溶解，在降溫過程中碳原子向表面偏析形成碳化物

利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備石墨烯的過程中，在元素周期表中不同過渡金屬基底上，石墨烯的生長(zhǎng)可能伴隨著復(fù)雜的金屬碳化物的形成。對(duì)于IB-IIB族過渡金屬，在石墨烯生長(zhǎng)條件下，不會(huì)形成碳化物1–3；然而，相同生長(zhǎng)條件下，VIII族過渡金屬會(huì)形成亞穩(wěn)態(tài)的碳化物，但其在高溫退火過程中并不穩(wěn)定，會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭瑥亩霈F(xiàn)從金屬碳化物到石墨烯的轉(zhuǎn)變過程4–6；對(duì)于IVB-VIB族過渡金屬，CVD生長(zhǎng)所形成的碳化物十分穩(wěn)定，它形成于石墨烯生長(zhǎng)的初始階段，并且穩(wěn)定存在于整個(gè)生長(zhǎng)過程之中7。然而，對(duì)界于IVB-VIB族與VIII族過渡金屬之間的 VIIB族金屬，CVD生長(zhǎng)過程中石墨烯與金屬碳化物的相互轉(zhuǎn)化過程仍未有明確的報(bào)道。

北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心劉忠范院士、張艷鋒研究員課題組，在前期工作中成功地在VIIB族過渡金屬Re的(0001)單晶表面實(shí)現(xiàn)了石墨烯的可控制備8。在此基礎(chǔ)上，他們以Re(0001)作為VIIB族過渡金屬的典型代表，研究了CVD生長(zhǎng)過程中石墨烯與碳化物(碳化錸)之間復(fù)雜的轉(zhuǎn)變行為。通過掃描隧道顯微鏡(STM)及原位-高溫低能電子衍射(LEED)表征，首次發(fā)現(xiàn)在Re(0001)基底上生長(zhǎng)的石墨烯，經(jīng)過高溫退火會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘偬蓟?。該轉(zhuǎn)變趨勢(shì)與VIII族過渡金屬基底上石墨烯向金屬碳化物轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)截然相反(例如：隨著生長(zhǎng)/退火溫度提升，Ni2C會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。研究表明，該轉(zhuǎn)變行為主要包括以下三個(gè)階段：(1) 903 K時(shí)，乙烯在Re(0001)基底上催化裂解形成石墨烯(圖b，f)；(2) 953–1113 K高溫退火過程中，石墨烯逐步碎裂、碳原子溶解于Re體相(圖c–e，g–i)；(3) 降溫過程中，碳原子從Re體相偏析到金屬基底表面形成金屬碳化物。

這一工作深入研究了VIIB族過渡金屬Re的(0001)晶面上石墨烯與金屬碳化物的轉(zhuǎn)變行為，深化了我們對(duì)于元素周期表中不同過渡金屬上石墨烯-金屬碳化物的生長(zhǎng)和相互轉(zhuǎn)變行為的認(rèn)識(shí)，填補(bǔ)了該研究方向上的空白。同時(shí)，也為目前備受關(guān)注的這兩類材料(即石墨烯與金屬碳化物)的可控制備開拓了新的研究體系。該研究成果近期在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表9。