使用液態碳源製備高質量石墨烯

2021-01-15 石墨烯聯盟


　　為了降低化學氣相沉積法製備高質量石墨烯薄膜的成本，提高製備工藝的可操作性，人們對不同種類的碳源進行了廣泛探究。除了上次跟大家介紹的固態碳源之外，液相的含碳有機物如苯、正己烷、乙醇等都被用作碳源來製備石墨烯。液相有機物分子結構相對簡單，在高溫裂解後生長出的石墨烯相對於固態碳源缺陷更少，且其相對於甲烷等氣體具有價格低廉和安全可靠等優勢。尤其是使用乙醇等具有含氧官能團的有機物可以進一步促進碳源裂解成碳原子，從而促進石墨烯的生長。雖然具有諸多優點，但是一般情況下，液相有機物揮發性很強，在氣相沉積過程中碳源的濃度難以控制，使得石墨烯的形核與厚度不可控，從而影響高質量石墨烯的生長。現有的控制液相碳源進給方法有鼓泡法載氣引入或者真空輔助引入碳源蒸氣，都只能粗略地控制碳源的濃度。正因如此，近十年來石墨烯飛速發展，而以液相有機物作為碳源製備石墨烯的方法卻並沒有被深入地研究。


　　近日中國科技大學和大連理工大學的科技工作者[1]合作使用三元銅、鎳、鋅合金作為催化劑和基底成功地以液態正己烷為碳源製備得到了單層石墨烯。與單一的銅或者二元的銅鎳合金不同的是，三元合金催化製得的石墨烯質量更高，如下圖1所示。不同尋常的是，他們沒有正面探究正己烷的供給方式，而是通過控制基底的種類和成分來控制石墨烯的形核生長，進而達到製備高質量石墨烯的目的。

　　碳原子在高溫下可以以較大濃度溶於鎳中，通過快速降溫可以使碳以石墨烯層片的形式析出在鎳的表面，從而形成較厚且不均勻的石墨烯。但是碳在銅中的溶解度極低，根據其表面限制的催化生長機理，在高溫時，碳原子可以在銅的表面形核生長成連續的單層石墨烯膜。如果將銅和鎳的優勢結合起來，使用配比優化的銅鎳合金為催化基底，可以獲得大尺寸的單晶石墨烯。據他們的理論計算結果，合金引起的協同效應，提供了一個理想的金屬平臺，使烴分子更容易脫氫裂解，合理地加強了碳單體在基底表面吸附能，同時降低了形成碳碳鍵所需的能量，在很大程度上促進了具有高電子遷移率和低缺陷密度的單層石墨烯的生長。

                     

圖 1.以正己烷為碳源，生長在三種不同基底上的石墨烯的光鏡照片和拉曼表徵結果[1]


為了實現石墨烯在下一代電子、光電器件方面的應用，高質量石墨烯的低成本可控制備是人們關注的首要問題之一。目前科研工作者們已經在催化劑、碳源、生長溫度等方面取得重要成果，相信未來還會有更多更大的突破。


References:

[1]   Gan W, Han N, Yang C, Wu P, LiuQ, Zhu W, et al. A Ternary Alloy Substrate to Synthesize Monolayer Graphenewith Liquid Carbon Precursor. ACS Nano. 2017 2017-02-28;11(2):1371-9.


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