成功實現高質量大面積外延石墨烯與Ru基底表面間的SiO2絕緣插層

2021-02-15 江南石墨烯

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室高鴻鈞院士帶領研究團隊在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的製備、物性調控及應用等方面開展了系統的研究和探索，取得了一系列重要研究成果。在早期的研究工作中，他們發現在過渡金屬表面外延生長的石墨烯具有大面積、高質量、連續、層數可控等優點 [Chin. Phys. 16, 3151 (2007); Adv. Mater. 21, 2777 (2009); 2D Mater. 6, 045044 (2019)]；他們進一步發展了基於該體系的異質元素插層技術，運用該技術可有效地避免複雜的石墨烯轉移過程，使大面積、高品質石墨烯單晶可以無損地置於異質元素插層基底之上 [Appl. Phys. Lett. 100, 093101 (2012); Appl. Phys. Lett. 99, 163107 (2011)]。

隨後，他們成功地揭示了石墨烯無損插層的普適機制[J. Am. Chem. Soc. 137, 7099 (2015)]，並利用該插層技術實現了空氣中穩定存在的石墨烯/矽烯異質結的構建[Adv. Mater. 30, 1804650 (2018)]和對石墨烯電子結構的調控 [Nano Res. 11, 3722 (2018); Nano Lett. 20, 2674 (2020)]。

相關焦點

  • 進展|用矽烯插層打開外延生長的雙層石墨烯能隙
    1) 他們採用分子束外延生長方法製備出了多種大面積、高質量的石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料，如：外延石墨烯 [Chin. Phys. 16, 3151 (2007)，Adv. Mater. 21, 2777 (2009)]、三分之一氫化石墨烯 [Adv.
  • 介電襯底長出「高」「大」石墨烯—新聞—科學網
    自2004年以來，科學家們已發展出多種製備石墨烯的方法，包括機械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長法、化學氧化剝離法、插層剝離法及化學氣相沉積（CVD）法等。其中，CVD法由於具有可控性高、結晶質量好、均勻、薄膜尺寸大等優勢而成為製備石墨烯最為普遍的方法之一。
  • 【中國科學報】介電襯底長出「高」「大」石墨烯---中國科學院
    自2004年以來，科學家們已發展出多種製備石墨烯的方法，包括機械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長法、化學氧化剝離法、插層剝離法及化學氣相沉積（CVD）法等。其中，CVD法由於具有可控性高、結晶質量好、均勻、薄膜尺寸大等優勢而成為製備石墨烯最為普遍的方法之一。
  • 一口氣解理40種大面積單晶二維材料!
    2015年，美國布魯克海文國家實驗室的黃元博士和Peter Sutter教授與中科院物理所高鴻鈞院士合作，提出了利用氧氣等離子體增加石墨烯和基底相互作用的新型解理方法（ACS Nano. 9 (11), 10612 (2015)），成功獲得了毫米量級的單層石墨烯和高溫超導材料Bi2212，這使得研究大面積單層單晶石墨烯和Bi2212的更多物理性質成為了可能。
  • 石墨烯的幾種主流製作方法
    但其可控性較差，製得的石墨烯尺寸較小且存在很大的不確定性，同時效率低，成本高，不適合大規模生產。　　外延生長法　　外延生長方法包括碳化矽外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化矽外延生長法是指在高溫下加熱SiC單晶體，使得SiC表面的Si原子被蒸發而脫離表面，剩下的C原子通過自組形式重構，從而得到基於SiC襯底的石墨烯。
  • 石墨烯/Ru(0001)界面處的矽烯結構形成示意圖
    在石墨烯/Ru(0001)界面處的矽烯結構形成示意圖。在退火過程中，沉積的Si原子插入到石墨烯和Ru基底之間。沉積量較小時，Si原子在石墨烯摩爾斑圖atop區域（隆起的區域）下方形成蜂窩狀矽烯納米薄片。隨著Si沉積量的增加，插層結構形成矽烯單層結構。
  • 石墨烯的基本表徵手段與檢測方法大全
    一般的掃描電子顯微鏡還會配備一些額外的檢測器，如進行元素分析的能量色散X射線分析儀(EDX)、分析基底晶向的電子背散射衍射(EBSD)檢測器。圖 6 所示為採用EDX分析儀得到的生長了石墨烯後的元素麵掃描圖8經過高溫生長後，沉積在絕緣基底上的銅發生了潤溼作用，會在基底上留下圖 6 中所示的樹枝狀的銅相，通過EDX對C、Si、Cu元素的掃描成像可以得到石墨烯與基底的三維分布情況。
  • 進展 | 大面積高質量氫化石墨烯的構築及物性研究取得進展
    通過外來原子與本徵石墨烯中的碳原子化學成鍵獲得石墨烯功能化材料以及構築新型類石墨烯二維原子晶體是擴充二維材料庫重要途徑之一。例如，所有碳原子與氫原子雙面成鍵形成全氫化石墨烯結構, 又稱為「石墨烷」(graphane)；氫原子和碳原子為1:2的單面氫化石墨烯，文獻報導中稱為「graphone」。然而，目前在實驗上製備大面積高質量的氫化石墨烯的工作仍很稀少，實現材料結構和物性的調控仍很困難。
  • 進展|普適性機械解理技術製備大面積二維材料
    2015年，美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的黃元博士和Peter Sutter教授與中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士合作，利用氧氣等離子體增強石墨烯和基底相互作用的新型解理方法(ACS Nano. 9 (11), 10612 (2015))，成功獲得了毫米量級的單層石墨烯和高溫超導材料Bi2212，極大的提高了樣品尺寸和製備效率，
  • 二維材料外延生長的原子尺度機理:特性與共性
    石墨烯是一種單原子層的二維碳晶體，2004年首次通過機械方法從石墨中剝離出來，並從此成為凝聚態物理和交叉科學領域的重要平臺。石墨烯具有獨特的電學和輸運性質，為開發後矽電子技術提供了廣闊前景。這種技術需求與驅動導致圍繞實現大規模生產高質量、大面積單晶石墨烯的大量研究，包括在適當的襯底上發展各種外延生長技術。
  • 使用液態碳源製備高質量石墨烯
    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。
  • 金剛石上石墨烯的自組織生長研究取得進展
    如何在絕緣襯底上形成大面積高質量的石墨烯還是個難題。所以，不論是探索製備石墨烯的新方法，還是尋找合適的生長石墨烯的基底材料，以便將石墨烯新奇的物理性質在室溫下呈現出來，都是石墨烯基礎研究與器件應用方面所亟待解決的問題。
  • 《Science》子刊: 大規模剝離毫米級高質量石墨烯!
    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。
  • 物理所大面積高質量氫化石墨烯的構築及物性研究取得進展
    通過外來原子與本徵石墨烯中的碳原子化學成鍵獲得石墨烯功能化材料以及構築新型類石墨烯二維原子晶體是擴充二維材料庫重要途徑之一。例如，所有碳原子與氫原子雙面成鍵形成全氫化石墨烯結構，又稱為「石墨烷」(graphane)；氫原子和碳原子為1:2的單面氫化石墨烯，文獻報導中稱為「graphone」。然而，目前在實驗上製備大面積高質量的氫化石墨烯的工作仍很稀少，實現材料結構和物性的調控仍很困難。
  • 【材料】大面積高質量MoS2/graphene垂直異質結的人工構築
    儘管如此，基於上述二維層狀材料異質結的人工構築：無論通過上下層之間的範德華力作用而形成的垂直異質結，還是通過CVD等技術手段經過層狀材料的平面外延而獲得的平面異質結，仍處於一個萌芽狀態(Adv. Funct. Mater., 2017, 1603884)。相比平面異質結界面處的線狀縫合，垂直異質結中的面面接觸更有利於應用器件的設計與實現。
  • 「石墨烯 製備」大面積單晶粒石墨烯層的自然生長
    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。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。
  • 中科院蘇州納米所《Nano Research》:Ni表面上六方氮化硼/石墨烯...
    面內二維異質結構能夠整合不同二維材料的優點，拓展其在光學、電學器件領域內的應用，然而外延異質結構的可控制備和規模化生產，尤其是微觀構建機理仍有待進一步研究。
  • 空間分辨雷射實現寫入/讀取/擦除石墨烯表面的二維共價化學信息
    在石墨烯表面原位生成自由基的工藝並不困難，典型的還原分解反應可採用重氮鹽、碘鹽、芳基和滷代烷，也可通過鹼金屬（金屬插層）與石墨或基底上的石墨烯進行還原反應。通過控制二苯甲醯過氧化物（DBPO）的光裂解，優化控制了在石墨烯表面增添自由基的過程。通過掃描拉曼顯微鏡（SRM）表徵二維共價圖案化的石墨烯，發現了此過程可逆。進一步提出了一種新概念，即通過空間分辨的雷射直接對石墨烯表面的共價化學信息進行寫/讀/擦除控制。　　雷射誘導塗覆有DBPO的石墨烯進行功能化修飾的機理示意圖如方案1所示。
  • ...Research》:Ni表面上六方氮化硼/石墨烯平面內異質結生長過程的...
    面內二維異質結構能夠整合不同二維材料的優點，拓展其在光學、電學器件領域內的應用，然而外延異質結構的可控制備和規模化生產，尤其是微觀構建機理仍有待進一步研究。