低壓化學氣相沉積法( LPCVD)可製備出25英寸均勻的石墨烯玻璃

2021-02-20 石墨烯聯盟

　　石墨烯作為一種二維晶體材料，具有許多優異的性能，可應用於光催化、透明電極、超級電容器等領域。目前許多高質量的石墨烯大多通過化學氣相沉積法（Chemical vapordeposition,CVD）製備，且厚度可控。然而這種方法通常需要基體轉換，過程繁瑣，且容易造成缺陷和汙染，影響石墨烯的性能。因此有必要尋找更便捷的方法將石墨烯沉積在絕緣基底上。

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　　最近劉忠範院士課題組將廣泛使用的玻璃和石墨烯相結合，以乙醇為碳源，通過低壓化學氣相沉積法（Low-pressure CVD, LPCVD）快速製備石墨烯玻璃。與常壓化學氣相沉積法（Atmosphericpressure CVD,APCVD）相比，該方法可大面積快速製備均勻的石墨烯，其原因在於（1）LPCVD可提高傳質速率，使活性碳源氣氛均勻。（2）乙醇的熱分解率較高（>800℃），可為石墨烯的形核、生長提供充足碳源。最終，通過該方法可快速製備出25英寸均勻的石墨烯玻璃。


圖1.（a）LPCVD沉積石墨烯示意圖；（b）不同沉積時間得到的石墨烯；（c）不同沉積時間的石墨烯拉曼圖譜；（d）不同沉積時間的石墨烯對應的透過率和方阻；（e）不同沉積時間的石墨烯接觸角；（f）LPCVD沉積25英寸石墨烯玻璃

圖2. （a）LPCVD生長的石墨烯SEM圖；（b）單層石墨烯法OM圖；（c）單層石墨烯HRTEM圖；（d）單層石墨烯的ARTEM圖；（e）LPCVD製備的石墨烯方阻分布圖；（f）不同碳源生長的石墨烯沉積時間對比；（g）不同碳源生長的石墨烯不同沉積溫度對比

　　實驗分別研究了不同沉積時間和沉積溫度對石墨烯的影響，並分別以甲烷和乙醇為碳源進行對比。研究發現已甲烷為碳源沉積的石墨烯不均勻，且速度較慢，而以乙醇為碳源時，石墨烯很均勻，且質量較高。其原因在於在碳源濃度較高時，沉積過程中可形成無定形碳，從而降低石墨烯的質量。而乙醇在分解時產生的OH自由基可抑制無定形碳的生長，從而保證高質量的石墨烯沉積。


圖 3. （a）、（b）APCVD與LPCVD生長的石墨烯膜對比；（c）、（d）LPCVD與APCVD不同區域石墨烯的拉曼圖譜；（e）、（f）LPCVD與APCVD不同區域石墨烯的透過率對比

　　綜上，該工作對快速均勻沉積石墨烯玻璃的影響因素進行深入探討，並對沉積機理進行研究，展示了石墨烯玻璃在液晶轉換窗口和生物傳感器方面的應用，在石墨烯的實際應用方面具有指導意義。該工作發表在著名刊物Advanced Materials上。

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