超硬材料網(wǎng)

科學(xué)家們研究了一個(gè)真正的單層，即大面積石墨烯薄膜覆蓋在大面積銅箔上。改進(jìn)了化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)方法，消除了石墨烯生長(zhǎng)在銅箔上的所有碳雜質(zhì)。這種均勻“完美”的單層單晶石墨烯有望被用作超高分辨率透射電鏡成像和光學(xué)設(shè)備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯，以實(shí)現(xiàn)非常均勻的功能化，這將促使推動(dòng)許多其他應(yīng)用，特別是用于各種類型的傳感器。

來(lái)自Ulsan國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所(UNIST)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)的Rodney Ruoff主任，領(lǐng)導(dǎo)的這個(gè)研究小組。這似乎是一系列關(guān)于單層石墨烯類似中最新的一個(gè)。然而，這一成果與之前數(shù)千篇論文的不同之處在于，它們都沒(méi)有真正描述大面積的單層石墨烯，Adlayers(雙層或多層區(qū)域)一直存在。IBS的科學(xué)家們改進(jìn)了化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)方法，消除了石墨烯生長(zhǎng)在銅箔上的所有碳雜質(zhì)。

金屬箔(尤其是銅箔)上的化學(xué)氣相沉積(CVD)是目前制備大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜最具發(fā)展前景的方法。研究小組研究了生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯薄膜中為什么會(huì)出現(xiàn)“adlayers”，發(fā)現(xiàn)薄膜中的碳雜質(zhì)直接導(dǎo)致adlayers的成核和生長(zhǎng)。通過(guò)使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜和燃燒分析，發(fā)現(xiàn)商業(yè)銅箔有‘過(guò)量的碳’，尤其是在表面附近，深度約為300納米。通過(guò)與世界上最大的銅箔供應(yīng)商之一，江西銅業(yè)有限公司的一位技術(shù)專家討論，研究人員了解到：

在生產(chǎn)過(guò)程中，碳嵌在銅箔中，可能來(lái)自用于潤(rùn)滑銅箔在高溫軋制時(shí)接觸的軋輥碳?xì)浠汀Ｔ贖2溫度為1060℃的條件下完全去除碳后，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)adlayfree，從而實(shí)現(xiàn)真正的單層石墨烯薄膜。通過(guò)同樣的方法，IBS的科學(xué)家們還在單晶銅箔上獲得了無(wú)adlayer單層和單晶石墨烯薄膜。該研究的第一作者之一王美輝（音譯）解釋說(shuō)：我們這樣就解決了之前CVD石墨烯薄膜(adlayers and grain boundaries, GBs)同時(shí)合成中一直存在的兩個(gè)問(wèn)題。的確，在大面積(例如單層或雙層)上實(shí)現(xiàn)層數(shù)的完美均勻性，可以用來(lái)確保設(shè)備性能的一致性。

Adlayer區(qū)域的區(qū)別在于，當(dāng)存在于器件的活動(dòng)區(qū)域時(shí)，Adlayer區(qū)域的密度和尺寸也不同。除了adlayers, GBs還存在于CVD制備的多晶石墨烯薄膜中，不同晶體取向的石墨烯島連接在一起形成薄膜。GBs的存在降低了載流子的遷移率和導(dǎo)熱率，降低了機(jī)械強(qiáng)度。盡管如此，科學(xué)家們?cè)趩尉П∧ど狭粝铝艘粋€(gè)迷人的特征：這種單晶石墨烯包含高度定向的平行“褶皺”，長(zhǎng)度為厘米，寬度約為100納米，間隔20至50微米。與adlayers和GBs一樣，褶皺可以顯著降低石墨烯的載流子遷移率。

為了消除adlayers, GBs和褶皺的這種散射效應(yīng)，研究小組在兩個(gè)相鄰褶皺之間的區(qū)域，以及平行于褶皺的晶體管上繪制了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的圖形。與多晶石墨烯薄膜中呈準(zhǔn)隨機(jī)分布的褶皺不同，褶皺在大面積單晶石墨烯薄膜中高度排列。這使得很容易從褶皺之間的區(qū)域制造集成高性能器件。兩個(gè)相鄰褶皺之間的區(qū)域是‘干凈的’，沒(méi)有任何褶皺、adlayers或GBs，這使得該器件具有很高的電子遷移率和空穴遷移率。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管顯示出非常高的室溫載流子遷移率值約為1.0 x 104 cm2V-1s-1。如此高的載流子移動(dòng)性“轉(zhuǎn)化”為具有高性能的各種有用設(shè)備。開(kāi)發(fā)大面積無(wú)adlayer單晶石墨烯的方法是一個(gè)突破。這種均勻、“完美”的單層單晶石墨烯，有望被用作超高分辨率透射電鏡成像和光學(xué)設(shè)備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯，以實(shí)現(xiàn)非常均勻的功能化。本研究由基礎(chǔ)科學(xué)研究所資助，其研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。