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北京大学刘忠范/彭海琳教授课题《ACS Nano》:超洁净石墨烯的增长最新进展

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  • 时间:2020-08-26 13:31:00

 

1成果简介 

       近10年来,化学气相沉积(CVD)法生长石墨烯薄膜取得了重大进展。然而,实现工业生产和应用所需的CVD石墨烯的优异质量和可扩展性仍然是主要障碍。早期的研究主要集中在提高单晶畴尺寸、大面积均匀性、生长速率、层厚可控性以及降低缺陷浓度等方面。

       本文,北京大学刘忠范/彭海琳教授课题在《ACS Nano》期刊发表名为“New Growth Frontier: Superclean Graphene”的论文,研究提出一个重要进展是发现了CVD石墨烯薄膜在高温生长过程中不可避免的污染现象以及与表面缺陷、剥离和转移质量密切相关的超清洁生长技术。超清洁石墨烯是CVD石墨烯研究的新前沿。从这一角度出发,我们旨在全面了解超清洁石墨烯薄膜的内在生长污染和实验方案,并对未来高质量CVD石墨烯薄膜的商业化生产进行展望。

 

2高温生长过程中不可避免的污染

       了解污染现象和发展超洁净石墨烯的发展策略代表了化学气相沉积石墨烯研究的新领域。

图1.高温生长期间石墨烯表面上无定形碳的形成机理示意图。

图2.化学气相沉积(CVD)衍生的石墨烯薄膜表面不可避免的污染。

图3.石墨烯转移到功能性基材上时污染的示意图。

除去聚合物后,由于无定形碳与聚合物之间的强相互作用,聚合物残留物留在了被无定形碳覆盖的石墨烯区域上。

 

3化学气相沉积生长高质量石墨烯薄膜

表1.超净石墨烯和常用方法生长的石墨烯的性能

图4.在质量,成本,清洁度,缺陷密度和可扩展性方面,目前用于制备超净石墨烯的实验方法的比较。

 

4小结与展望 

  表面污染是探测CVD石墨烯的内在特性并以令人信服的质量实现其批量生产的主要障碍。我们预测,超净石墨烯将在不久的将来代表石墨烯研究的新领域。
  低成本,大面积生产具有良好均匀性的超净,无缺陷的石墨烯对于工业应用至关重要,但仍具有挑战性。基于无定形碳的形成机理,在开发新的超洁净石墨烯策略时应考虑三个方面:

 (1)可能通过调整边界层的厚度和含量来抑制边界层中大碳簇的形成;

 (2)修复缺陷,减少石墨烯表面无定形碳的成核位点数量;

 (3)抑制无定形碳在石墨烯表面上的横向生长。

  此外,还迫切需要对非晶碳形成机理有更深入了解的理论计算以及可视化缺陷和非晶碳的技术。
  CVD石墨烯与朝向大量生产高品质的石墨烯膜的视图摘要路线图中呈现图5,其中四种途径代表了当前石墨烯研究的主流:在金属衬底上进行单层石墨烯的CVD生长(途径1),将石墨烯转移到功能衬底上(途径2),在功能衬底上直接进行石墨烯的CVD生长(途径3) ,以及在金属基板上进行多层石墨烯的CVD生长(路线4)。

  在所有路线中,从基础实验室规模的基础研究到工业规模的石墨烯生产都需要三到四个步骤。例如,在路线1的第一阶段,对石墨烯社区的主要关注是对CVD石墨烯的结构特征的控制,包括尺寸和层数。同时,用于可控制的,具有成本效益的大规模生产的合适基板的设计也引发了激烈的研究活动。

  在后续阶段,石墨烯研究人员和工业界的主要努力目前致力于表面污染问题,包括缺陷,皱纹和掺杂。

  随后,在第三阶段,将广泛讨论工业可行的生产策略,特别是石墨烯薄膜的均匀性,尺寸,生长速率和可转移性。在最后阶段,大规模生产和商业化的挑战仍然需要解决,涉及工业规模的生产能力,产量,成本,设备和生产线。生长速率和石墨烯薄膜的可转移性。

图5.大规模生产化学气相沉积石墨烯的挑战。

  超洁净石墨烯的增长将在不久的将来引起极大的关注,因为洁净表面的可用性将提供增强的CVD石墨烯性能和性能,并有助于发现新的应用。我们相信,超净石墨烯将为我们带来更多令人振奋的基础研究发现,并促进整个石墨烯产业的发展。

 

文献:https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06141