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中国科学家成功研制超平整石墨烯薄膜

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发表于 2020-01-10 13:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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近日,由南京大学物理学院高力波教授团队领衔,协同学院四个青年学者团队,以“质子辅助生长超平整石墨烯薄膜”为题,在《自然》杂志上发表了将质子辅助生长用于高质量石墨烯制备的研究成果。这项工作,不仅探索出了一种可控生长超平整石墨烯薄膜的方法,更为重要的是,该团队还发现了这种生长方法的内在机制,即质子辅助,这种方法有望推广到柔性电子学、高频晶体管等更多重要的研究领域。

据悉,该成果所涉及的化学气相沉积方法(CVD)生长石墨烯,是目前制备大面积、高品质单晶晶粒或者薄膜的最主要方法。然而,由于石墨烯与基质材料能够产生强耦合作用,使得石墨烯在生长过程中会形成褶皱。这一现象严重限制了大尺度均一薄膜的制备,阻碍着二维材料的进一步发展应用。

“CVD石墨烯中的褶皱是影响其物性的重要瓶颈。”高力波告诉记者,CVD石墨烯中的褶皱,来源于石墨烯与生长基体的热胀率差异,石墨烯生长于铜或者铂等生长基体,生长温度多在600度以上,生长完成后降至室温便引起石墨烯的褶皱。褶皱的存在,会影响石墨烯的优良特性,然而,究竟在多大程度上能够影响其性能,并没有完整的对比数据。“如何彻底地消除褶皱,并制备出超平整的石墨烯薄膜,逐渐成为其品质跨越式提升的重点和难点。”高力波说道。

研究团队尝试过多种消除褶皱的方法,但效果都不尽如人意,仅剩下减弱石墨烯与生长基体之间耦合作用的唯一途径。在总结大量实验的基础上,高力波团队发现,高比例的热氢气(H2),会在一定程度上,弱化石墨烯与生长基体之间的耦合作用。同时,研究人员通过理论模拟发现,处在石墨烯与铜基体之间的氢,在大浓度、高温的条件下,可以起到减弱二者耦合的作用。在热氢气的组分中,质子和电子可以自由穿梭于石墨烯的蜂窝状晶格。因此,研究人员推测,质子在穿透石墨烯后,有一定概率会再次与电子组合成氢。

“课题组通过氢气、氘气(D2)、氦气(He)等离子体的作用效果对比,验证了所设想的模型。”高力波介绍,增加质子密度,成为减弱二者耦合作用的关键途径。有鉴于此,研究团队采用氢气等离子体处理褶皱化的石墨烯薄膜,并辅以高温,逐步减弱并消除石墨烯褶皱。如果在生长石墨烯的同时,引入氢气等离子体,则生长出来的石墨烯完全无褶皱。

为了全方位表征无褶皱化的石墨烯薄膜,通过多种物性测量,包括扫描隧道显微镜(STM)观测摩尔条纹和扫描隧道谱(STS)、角分辨光电子能谱(ARPES)直观观测石墨烯与铜基体的耦合作用变化、变温拉曼光谱表征热涨率差异等,都表明了这种超平整的石墨烯薄膜,处于与生长基体脱耦合、无掺杂的状态。由于石墨烯薄膜的超平整特性,因此在清除石墨烯表面其他物质,尤其是石墨烯转移过程中产生的转移介质PMMA残留时,表现出极易清洁的优点。

此外,为了凸显超平整石墨烯薄膜的优点,即大尺寸和高品质,研究人员还进行了不同线宽下的石墨烯量子霍尔效应的测量,线宽分别为2μm、20μm、100μm、500μm。此前,有碍于大尺寸石墨烯样品的均匀性,石墨烯量子霍尔效应出现的最大线宽为50μm,而生长出来的超平整石墨烯薄膜,量子霍尔效应出现的阈值条件,和1μm线宽时测量的本征石墨烯几乎相当。更重要的是,对于不同线宽测量,他们的平台出现阈值几乎不变。“这表明只有消除褶皱,才能在最大程度上实现大尺寸石墨烯的均质化、高品质。”高力波表示,质子辅助的CVD方法不仅能够尽可能维持石墨烯的固有性质,还将对今后制备其他种类的纳米材料具有普适性。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/1/434679.shtm
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