近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員劉立偉課題組和蘇州格瑞豐納米科技有限公司合作，揭示了氧氣和氫氣在銅襯底晶向轉(zhuǎn)變中的作用，同時(shí)也有利于單晶化襯底實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的可控制備。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports.7, 45358 (2017))。
 　　因?yàn)樵诎雽?dǎo)體工業(yè)中具有良好的集成兼容性以及低廉的成本優(yōu)勢(shì)，銅基表面化學(xué)氣相沉積(CVD)法被認(rèn)為是最有潛力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯的方法。通過(guò)近10年的努力(2007-2017)，銅基CVD法已經(jīng)在大批量、高質(zhì)量和快速制備三個(gè)方向分別取得了一系列的突破進(jìn)展。然而，對(duì)于能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、大批量和高質(zhì)量制備石墨烯，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。分析其原因主要有三點(diǎn)：(1)銅襯底和石墨烯晶格失匹配，導(dǎo)致石墨烯的晶界密度過(guò)高，削弱了石墨烯的物理性能；(2)為了抑制石墨烯成核，傳統(tǒng)的CVD方法往往通過(guò)降低碳源濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)速率偏低，在0.03 µm/s-0.36 µm/s之間；(3)隨著石墨烯制備面積的不斷擴(kuò)大，石墨烯生長(zhǎng)氣氛因?yàn)槭芰髯璧挠绊懽兊貌痪鶆颍瑢?dǎo)致大批量制備的石墨烯不連續(xù)或者不均勻。
 　　圖1：氬氣和氫氣對(duì)銅襯底晶向的調(diào)控。(a，d)氬氣和氫氣處理后的銅襯底電子背散射表征；(b，e)X射線光電子能譜的氬離子刻蝕示意圖；(c,f)兩種銅襯底晶向表面對(duì)應(yīng)的氧化層厚度。
 　　針對(duì)以上關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員劉立偉課題組和蘇州格瑞豐納米科技有限公司合作，首先對(duì)銅襯底進(jìn)行晶向調(diào)控，揭示了氧化層對(duì)銅襯底晶向的調(diào)控作用和機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)銅表面氧化層有利于Cu(001)晶向的形成，而用氫氣去除銅表面氧化層后，銅襯底則迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃u(111)晶向(圖1)，并利用密度泛函理論計(jì)算揭示了氧對(duì)銅襯底晶向轉(zhuǎn)變影響的機(jī)制(圖2)。該工作揭示了氧氣和氫氣在銅襯底晶向轉(zhuǎn)變中的作用，同時(shí)也有利于單晶化襯底實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的可控制備。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports.7, 45358 (2017))。
 　　圖3：靜態(tài)常壓CVD系統(tǒng)下制備石墨烯的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)表征。(a)靜態(tài)常壓CVD體系批量制備石墨烯的原理圖；(b)不同銅襯底疊層上石墨烯薄膜的透光率表征；(c)石墨烯的光學(xué)和拉曼表征；(d)石墨烯的方塊電阻表征；(e)石墨烯的室溫場(chǎng)效應(yīng)遷移率表征。
 　　基于上述研究成果，該團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)構(gòu)建一個(gè)基于分子熱運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)常壓CVD(SAPCVD)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速批量制備高質(zhì)量石墨烯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明SAPCVD系統(tǒng)能夠同時(shí)在20層銅襯底上批量化制備光學(xué)均勻的石墨烯，其生長(zhǎng)速率達(dá)到1.5 µm/s。通過(guò)調(diào)控石墨烯和銅襯底的晶格失匹配，石墨烯的晶界密度得到有效抑制，石墨烯的室溫場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)到6944 cm2 V-1s-1，方塊電阻500 ?/□(圖3)。
 　　相比于傳統(tǒng)低壓流動(dòng)CVD(LPCVD)或者常壓流動(dòng)CVD(APCVD)系統(tǒng)，SAPCVD系統(tǒng)制備石墨烯的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在3點(diǎn)：首先，石墨烯生長(zhǎng)氣氛均勻且不受流阻的影響，有利于大批量制備石墨烯；其次，碳源濃度可以在1500%的大窗口下實(shí)現(xiàn)均勻單層石墨烯，更容易獲得光學(xué)均勻的石墨烯薄膜；最后，碳源可以在CVD生長(zhǎng)室內(nèi)充分地分解，并且可以有效降低石墨烯制備過(guò)程中對(duì)真空設(shè)備的依賴，降低了石墨烯的制備成本。該工作提出通過(guò)靜態(tài)常壓CVD技術(shù)和Cu(111)單晶疊層襯底技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速批量制備高質(zhì)量石墨烯，加速了石墨烯在柔性電子器件中的應(yīng)用。這一科研成果最近發(fā)表在Small(DOI: 10.1002/smll.201700651)上。
 　　該系列工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇自然科學(xué)基金的大力支持。
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 　　石墨烯作為“新材料之王”，在半導(dǎo)體工業(yè)中具有良好的集成兼容性以及低廉的成本優(yōu)勢(shì)而銅基表面化學(xué)氣相沉積(CVD)法被認(rèn)為是最有潛力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯的方法。但是，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、大批量和高質(zhì)量制備石墨烯，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究成果成功實(shí)現(xiàn)了快速批量制備高質(zhì)量石墨烯，加速了石墨烯在柔性電子器件中的應(yīng)用。