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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      新突破:現(xiàn)在能讓石墨烯,變成單層單晶!

      關(guān)鍵詞 石墨烯 , 單晶|2019-07-04 10:55:17|來源 博科園
      摘要 科學家們研究了一個真正的單層,即大面積石墨烯薄膜覆蓋在大面積銅箔上。改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法,消除了石墨烯生長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...

      科學家們研究了一個真正的單層,即大面積石墨烯薄膜覆蓋在大面積銅箔上。改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法,消除了石墨烯生長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設(shè)備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯,以實現(xiàn)非常均勻的功能化,這將促使推動許多其他應(yīng)用,特別是用于各種類型的傳感器。

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      來自Ulsan國家科學技術(shù)研究所(UNIST)基礎(chǔ)科學研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)的Rodney Ruoff主任,領(lǐng)導的這個研究小組。這似乎是一系列關(guān)于單層石墨烯類似中最新的一個。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的科學家們改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法,消除了石墨烯生長在銅箔上的所有碳雜質(zhì)。

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      金屬箔(尤其是銅箔)上的化學氣相沉積(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在銅箔上的石墨烯薄膜中為什么會出現(xiàn)“adlayers”,發(fā)現(xiàn)薄膜中的碳雜質(zhì)直接導致adlayers的成核和生長。通過使用飛行時間二次離子質(zhì)譜和燃燒分析,發(fā)現(xiàn)商業(yè)銅箔有‘過量的碳’,尤其是在表面附近,深度約為300納米。通過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)過程中,碳嵌在銅箔中,可能來自用于潤滑銅箔在高溫軋制時接觸的軋輥碳氫基油。在H2溫度為1060℃的條件下完全去除碳后,能夠?qū)崿F(xiàn)無adlayfree,從而實現(xiàn)真正的單層石墨烯薄膜。通過同樣的方法,IBS的科學家們還在單晶銅箔上獲得了無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:我們這樣就解決了之前CVD石墨烯薄膜(adlayers and grain boundaries, GBs)同時合成中一直存在的兩個問題。的確,在大面積(例如單層或雙層)上實現(xiàn)層數(shù)的完美均勻性,可以用來確保設(shè)備性能的一致性。

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      Adlayer區(qū)域的區(qū)別在于,當存在于器件的活動區(qū)域時,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熱率,降低了機械強度。盡管如此,科學家們在單晶薄膜上留下了一個迷人的特征:這種單晶石墨烯包含高度定向的平行“褶皺”,長度為厘米,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效應(yīng)晶體管的圖形。與多晶石墨烯薄膜中呈準隨機分布的褶皺不同,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。兩個相鄰褶皺之間的區(qū)域是‘干凈的’,沒有任何褶皺、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性“轉(zhuǎn)化”為具有高性能的各種有用設(shè)備。開發(fā)大面積無adlayer單晶石墨烯的方法是一個突破。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設(shè)備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯,以實現(xiàn)非常均勻的功能化。本研究由基礎(chǔ)科學研究所資助,其研究成果發(fā)表在《先進材料》上。


       

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