《Science》子刊: 大規模剝離毫米級高質量石墨烯!

2020-11-22 騰訊網

自從2004年單層石墨烯被成功地從天然石墨中剝離出來，石墨烯就以其獨特的物理和化學特性吸引了廣泛的關注。然而，石墨烯的質量和產量之間的競爭一直是它實現大規模應用的主要問題。例如，機械剝離法能保證石墨烯的高質量，但很難用於工業生產。還原氧化石墨烯法是當前工業化生產石墨烯的主要選擇，但化學/熱還原過程難免使石墨烯產生缺陷。因此，如果一種技術可以克服石墨烯質量和產量的競爭問題，那麼它將是製備石墨烯的最具商業價值的合成方法。最近的研究表明，藉助金屬薄膜剝落二維材料可能是獲得質量和產量可控的二維材料的關鍵。

韓國亞洲大學Jae-Hyun Lee，韓國國立木浦大學Seok-Kyun Son，韓國Samsung Display公司的Sung Ho Cho等人提出了一種針對石墨烯的分層工業剝離技術（LEE），該技術不僅能夠獲得高達毫米級別的大尺寸石墨烯，而且還可以進行選擇性的厚度控制。在石墨上蒸發的金屬薄膜會引起張應力，使得金屬薄膜的剝落誘導石墨烯的剝落，其中石墨烯剝落層的數量可通過使用不同的金屬膜來調節。作者對所得石墨烯進行了詳細的光譜學和電子傳輸測量分析，證明了所提出的剝落技術同時保障了石墨烯的質量和產量。該分層工業剝離可以為電子和光電子領域中石墨烯和其他二維材料的大規模製造工藝的開發鋪平道路。該研究以題為「Layer-engineered large-area exfoliation of graphene」的論文發表在《Science Advances》上。

【大規模剝離毫米級尺寸石墨烯】

如圖1A所示，為了剝離具有特定層數的大面積石墨烯，作者將金屬膜直接熱蒸發並沉積到預先裂解的塊狀石墨薄片上。該金屬膜能作為剝離石墨烯的應力源，其中張應力來自於石墨膜和金屬膜之間的晶格常數差。外部彎曲力矩會在拉伸應力的作用下在石墨薄片的邊界產生裂紋，然後由於殘餘張力而導致石墨的大面積剝落。剝落深度取決於石墨/金屬的結合能（γmetal-Gr）和石墨本身的層間結合能（γGr-Gr）之差，差異越大，剝落深度越深。作者在Au膜上剝落下的單層石墨烯能展現出一毫米的橫向尺寸，並且沒有物理缺陷（圖1B和C）。據悉這是目前最大尺寸的機械剝落的單層石墨烯。

圖1毫米級的單層石墨烯

【可控的剝離層數】

為了驗證通過調整剝離深度能獲得不同層數的石墨烯，作者在石墨薄片上沉積了各種金屬膜作為不同的應力源。作者選擇了Pd、Ni和Co，其中γPd-Gr= 84 meV /原子，γNi-Gr= 125 meV /原子，而γCo Gr = 160 meV /原子。當使用Pd膜剝離天然石墨時，能得到雙層石墨烯（圖2A）。用Ni和Co膜剝落也會產生均勻的多層石墨烯，其橫向尺寸為幾百微米（圖2B和C）。作者通過原子力顯微鏡分析證實，Pd、Ni和Co膜的剝落可分別得到雙層、少層（7 nm）和多層石墨烯（13 nm）（圖2G）。由此可見，剝落的石墨烯層數隨著應力源剝離深度的增加而增加，以此可實現不同層數石墨烯的可控剝離。

圖2通過調整界面韌性來控制剝落深度

【石墨烯的質量檢測】

圖3A顯示了LEE單層石墨烯的拉曼光譜，其中G和2D峰清晰可見，且不存在與無序度相關的D峰，結果表明Au-LEE獲得的單層石墨烯具有較高的質量。AFM測量表明，石墨烯表面上沒有明顯的物理缺陷（圖3D），其均方根粗糙度與矽基底上的正常剝落石墨烯的均方根粗糙度相同（相差約0.8 ）。XPS光譜結果顯示，在整個LEE過程中，石墨烯表面不會受有機殘留物的侵蝕。為了進一步檢驗石墨烯的質量，作者在單層石墨烯器件上進行了電子傳輸測量。圖4A表明該石墨烯中僅存在可忽略不計的帶電雜質和應變。單層石墨烯器件的電子遷移率比矽片上剝落的石墨烯的遷移率還要高，接近先前報導的優質石墨烯器件的遷移率（圖4C）。因此，光譜分析和電子傳輸結果表明，通過LEE技術得到的毫米級石墨烯同時具有高質量。

圖3 LEE獲得的單層石墨烯的表徵

圖4 LEE-石墨烯的電子傳輸特性

總結：作者提出的LEE方法可從天然石墨中獲得超大尺寸和高質量的石墨烯。該方法只要簡單地控制不同剝落深度的金屬沉積，就可以大規模獲得毫米級別尺寸的石墨烯。此外，作者還將LEE方法推廣到其他二維材料，證實了剝離的hBN的層數也受應力膜的控制。該研究表明，分層工業剝離技術有望為基於二維材料的未來應用及其大規模製備的開發鋪平了道路。

https://advances.sciencemag.org/content/6/44/eabc6601

來源：高分子科學前沿

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