「石墨烯 製備」大面積單晶粒石墨烯層的自然生長

2020-10-08 智識諮詢

到目前為止，沒有人能夠生產出沒有晶粒和縫線的連續單層石墨烯。一篇國際合作論文指出，存在一種產生完美的六邊形原子網而沒有縫合缺陷的方法，自然界在某種條件下組織自身以促進'編織'這樣的理想晶格。

一組國際合作者 在《Advanced Materials》（高級材料）雜誌上發表了題為《 Large-Area Single-Crystal Graphene via Self-Organization at the Macroscale》（通過宏觀自組織的大面積單晶石墨烯）的論文。文章指出，石墨烯晶體的單晶生長可以在較大的（該團隊使用了5x5毫米的襯底）宏觀範圍內實現。


具體來說，研究小組表明，在多晶石墨烯薄膜上成核的石墨烯薄片在生長過程中會發生同步，從而最終在宏觀上產生相同的晶體取向。研究小組通過實驗發現了石墨烯晶粒在生長過程中的自對準現象，這一現象以前從未被觀察到。目前，科學家們還沒有一個很好的模型來說明導致這種效應的潛在物理機理。

圖：從早期生長的次生石墨烯薄片在多晶石墨烯基底上自動排列的大面積單晶石墨烯生長步驟。

來自中國蘇州大學的Mark Hermann Rümmeli教授和德國德勒斯登IFW的Huy Ta Quang博士是CVD合成的大師，同時還是高質量電子顯微鏡的世界領先專家；來自美國賓夕法尼亞州立大學材料研究所和工程科學與力學系的Slava V. Rotkin教授在團隊中負責理論。為了發現這種效應，他們必須將幾種很少使用的方法結合在一起：光學拉曼顯微鏡和同一樣品的DF-TEM，其中的挑戰是要在一個非常大的區域上驗證單個原子厚島的取向區。

在他們的實驗中，研究小組發現石墨烯島在大面積上自對準。後來，他們證明這不僅僅是一個「大」區域，整個樣本都參與了這種相關的增長。然後，他們進行了許多詳細的研究，以證明效果並了解細節。

過去，通過其他方法可以實現石墨烯的單晶生長，但是都需要昂貴的基板或相當複雜的技術。為大面積晶體設計可靠且廉價的生長技術，對生產高質量石墨烯具有直接的技術影響。

Rotkin說：「在所有已經達到原子尺寸極限的現代電子設備中，可變性是一個主要問題。如果工業能夠生產高質量的石墨烯，沒有顆粒，沒有堆垛錯層，並且沒有取向錯誤，那麼這將使石墨烯"神奇材料"在商業產品中可以接受，甚至對於從射頻電子產品到柔性顯示器的許多技術來說都是可取的。」

Rotkin也認為，將這項技術放大到晶圓級，並將其轉換為其他2D材料以及能夠完全控制晶體取向的任務可能需要花費數年的研究時間。


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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002755

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