质子辅助生长超平整石墨烯薄膜
发布时间：2020-12-18 06:29
<正>石墨烯（graphene）,碳原子组成的二维蜂窝状结构,是构成其他碳材料的基本单元,可以蜷曲成零维的富勒烯,弯曲成一维的碳纳米管,以及堆垛成三维的石墨[1]。石墨烯有着独特的晶体结构和能带结构,有着区别于块体的多种特异物性,包括了力、热、光、电学等性能,有望在多种领域取得颠覆性的应用。正因为如此,石墨烯一经发现,便迅速成为物理、
【文章来源】：物理. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
质子渗透和氢辅助脱耦合模型；(b)普通CVD方法生长的有褶皱石墨烯；(c)氢气等离子体处理后的同位置褶皱变化；(d)质子辅助生长的超平整石墨烯薄膜
由于石墨烯薄膜的超平整特性，因此在清除其表面的其他污染物，尤其是石墨烯转移过程中的转移介质(通常为PMMA)残留时，表现出极易清洁的优点。为了突显这种超平整石墨烯薄膜的特点，即大尺寸均匀和高品质，我们进行了不同沟道线宽下的量子霍尔效应测量，线宽分别为2μm、20μm、100μm、500μm。此前，有碍于大尺寸石墨烯样品的均匀性，石墨烯量子霍尔效应能够出现的最大线宽为50μm。而这种方法生长出来的超平整石墨烯薄膜，量子霍尔效应出现的阈值条件，和1μm线宽时测量的本征石墨烯(胶带法获得)几乎相当。更为重要的是，对于不同沟道线宽，量子霍尔效应的阈值几乎不变(图3)。本研究结果也最终证明，只有消除褶皱，才能在最大程度上实现了高品质石墨烯在大尺寸下的均质化。本项研究成果近期已于Nature上刊登发表[11]。这种质子辅助方法制备的超平整石墨烯薄膜，根除了CVD石墨烯中的褶皱，保证了石墨烯薄膜的超高质量，对未来实现石墨烯在高端产业化应用，或许会起到较大的推动作用。不仅如此，提出和有效验证的质子渗透模型，可以很容易拓展到其他材料，为调控其掺杂和内应力等，或可打开新的研究思路。
一般来说，新材料的未来应用前景，不仅取决于材料自身的性质，更取决于如何可控地制备这种新材料，即“制备决定未来”。因此，对于包括石墨烯在内的多种二维材料，发展出若干种可控制备宏量、高质量样品的制备方法，是实现其未来“颠覆性”应用，推动科技发展的前提和保障。石墨烯，经历了2004年首次发现后的16年快速发展期，目前已经开发出了多种制备方法，包括有胶带剥离法、化学剥离法、碳化硅外延法和化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法等[2]。其中，CVD方法日趋成为制备大面积、高质量石墨烯单晶晶粒或者薄膜的最主要方法。CVD方法的基本原理，是利用过渡金属等多种生长基体，在高温环境下对气态碳源进行催化裂解，进而在基体表面生长出单层或者少层的石墨烯[3—5]。然而，生长在金属基体上的石墨烯，由于金属基体的掺杂，会丧失其特殊的物性，因此，为了进行深入的表征和物性研究，通常需要将生长完成的样品转移到绝缘衬底上。石墨烯的可控生长和相应的转移技术，共同组成了CVD方法制备石墨烯的完整链条。目前，通过CVD方法制备的石墨烯，已经可以初步满足一些产业应用的需求。值得注意的是，CVD方法获得的石墨烯，其较高的晶体质量是相对于化学剥离法和碳化硅外延法而言的，而相较于胶带剥离法获得的石墨烯片层，仍然有所欠缺。这是因为当前CVD方法在制备石墨烯的过程，仍然会引入晶体缺陷。缺陷的来源主要有两种，一种是在CVD生长过程带来的点缺陷(point defect)、晶界(grain boundary)[6]和褶皱(wrinkle)[7]；另一种是转移过程引起的破损(crack)、折叠(fold)和撕裂(tear)等。CVD方法制备石墨烯，经过了逾十年的发展，现在已经发展出了包括局部通入气态碳源等方法在内的多种途径，成功地生长出厘米级的石墨烯六角形单晶晶粒[8]，以及开发多种转移方式来消除转移缺陷。然而，这些无点缺陷、无晶界、无转移缺陷的石墨烯晶粒或者薄膜，其多种物理特性，尤其是大尺寸下电学输运特性，依然逊色于本征石墨烯。究其原因，CVD方法下石墨烯的褶皱，或许是影响其物性提升的更为重要的因素。
本文编号：2923533
【文章来源】：物理. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
质子渗透和氢辅助脱耦合模型；(b)普通CVD方法生长的有褶皱石墨烯；(c)氢气等离子体处理后的同位置褶皱变化；(d)质子辅助生长的超平整石墨烯薄膜
由于石墨烯薄膜的超平整特性，因此在清除其表面的其他污染物，尤其是石墨烯转移过程中的转移介质(通常为PMMA)残留时，表现出极易清洁的优点。为了突显这种超平整石墨烯薄膜的特点，即大尺寸均匀和高品质，我们进行了不同沟道线宽下的量子霍尔效应测量，线宽分别为2μm、20μm、100μm、500μm。此前，有碍于大尺寸石墨烯样品的均匀性，石墨烯量子霍尔效应能够出现的最大线宽为50μm。而这种方法生长出来的超平整石墨烯薄膜，量子霍尔效应出现的阈值条件，和1μm线宽时测量的本征石墨烯(胶带法获得)几乎相当。更为重要的是，对于不同沟道线宽，量子霍尔效应的阈值几乎不变(图3)。本研究结果也最终证明，只有消除褶皱，才能在最大程度上实现了高品质石墨烯在大尺寸下的均质化。本项研究成果近期已于Nature上刊登发表[11]。这种质子辅助方法制备的超平整石墨烯薄膜，根除了CVD石墨烯中的褶皱，保证了石墨烯薄膜的超高质量，对未来实现石墨烯在高端产业化应用，或许会起到较大的推动作用。不仅如此，提出和有效验证的质子渗透模型，可以很容易拓展到其他材料，为调控其掺杂和内应力等，或可打开新的研究思路。
一般来说，新材料的未来应用前景，不仅取决于材料自身的性质，更取决于如何可控地制备这种新材料，即“制备决定未来”。因此，对于包括石墨烯在内的多种二维材料，发展出若干种可控制备宏量、高质量样品的制备方法，是实现其未来“颠覆性”应用，推动科技发展的前提和保障。石墨烯，经历了2004年首次发现后的16年快速发展期，目前已经开发出了多种制备方法，包括有胶带剥离法、化学剥离法、碳化硅外延法和化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法等[2]。其中，CVD方法日趋成为制备大面积、高质量石墨烯单晶晶粒或者薄膜的最主要方法。CVD方法的基本原理，是利用过渡金属等多种生长基体，在高温环境下对气态碳源进行催化裂解，进而在基体表面生长出单层或者少层的石墨烯[3—5]。然而，生长在金属基体上的石墨烯，由于金属基体的掺杂，会丧失其特殊的物性，因此，为了进行深入的表征和物性研究，通常需要将生长完成的样品转移到绝缘衬底上。石墨烯的可控生长和相应的转移技术，共同组成了CVD方法制备石墨烯的完整链条。目前，通过CVD方法制备的石墨烯，已经可以初步满足一些产业应用的需求。值得注意的是，CVD方法获得的石墨烯，其较高的晶体质量是相对于化学剥离法和碳化硅外延法而言的，而相较于胶带剥离法获得的石墨烯片层，仍然有所欠缺。这是因为当前CVD方法在制备石墨烯的过程，仍然会引入晶体缺陷。缺陷的来源主要有两种，一种是在CVD生长过程带来的点缺陷(point defect)、晶界(grain boundary)[6]和褶皱(wrinkle)[7]；另一种是转移过程引起的破损(crack)、折叠(fold)和撕裂(tear)等。CVD方法制备石墨烯，经过了逾十年的发展，现在已经发展出了包括局部通入气态碳源等方法在内的多种途径，成功地生长出厘米级的石墨烯六角形单晶晶粒[8]，以及开发多种转移方式来消除转移缺陷。然而，这些无点缺陷、无晶界、无转移缺陷的石墨烯晶粒或者薄膜，其多种物理特性，尤其是大尺寸下电学输运特性，依然逊色于本征石墨烯。究其原因，CVD方法下石墨烯的褶皱，或许是影响其物性提升的更为重要的因素。
本文编号：2923533
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2923533.html
