發(fā)布時(shí)間：2020-12-18 06:29

　　<正>石墨烯（graphene）,碳原子組成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu),是構(gòu)成其他碳材料的基本單元,可以蜷曲成零維的富勒烯,彎曲成一維的碳納米管,以及堆垛成三維的石墨^[1]。石墨烯有著獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu),有著區(qū)別于塊體的多種特異物性,包括了力、熱、光、電學(xué)等性能,有望在多種領(lǐng)域取得顛覆性的應(yīng)用。正因?yàn)槿绱?石墨烯一經(jīng)發(fā)現(xiàn),便迅速成為物理、 

【文章來(lái)源】：物理. 2020年03期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：3 頁(yè)

【部分圖文】：

質(zhì)子滲透和氫輔助脫耦合模型；(b)普通CVD方法生長(zhǎng)的有褶皺石墨烯；(c)氫氣等離子體處理后的同位置褶皺變化；(d)質(zhì)子輔助生長(zhǎng)的超平整石墨烯薄膜

由于石墨烯薄膜的超平整特性，因此在清除其表面的其他污染物，尤其是石墨烯轉(zhuǎn)移過程中的轉(zhuǎn)移介質(zhì)(通常為PMMA)殘留時(shí)，表現(xiàn)出極易清潔的優(yōu)點(diǎn)。為了突顯這種超平整石墨烯薄膜的特點(diǎn)，即大尺寸均勻和高品質(zhì)，我們進(jìn)行了不同溝道線寬下的量子霍爾效應(yīng)測(cè)量，線寬分別為2μm、20μm、100μm、500μm。此前，有礙于大尺寸石墨烯樣品的均勻性，石墨烯量子霍爾效應(yīng)能夠出現(xiàn)的最大線寬為50μm。而這種方法生長(zhǎng)出來(lái)的超平整石墨烯薄膜，量子霍爾效應(yīng)出現(xiàn)的閾值條件，和1μm線寬時(shí)測(cè)量的本征石墨烯(膠帶法獲得)幾乎相當(dāng)。更為重要的是，對(duì)于不同溝道線寬，量子霍爾效應(yīng)的閾值幾乎不變(圖3)。本研究結(jié)果也最終證明，只有消除褶皺，才能在最大程度上實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)石墨烯在大尺寸下的均質(zhì)化。本項(xiàng)研究成果近期已于Nature上刊登發(fā)表[11]。這種質(zhì)子輔助方法制備的超平整石墨烯薄膜，根除了CVD石墨烯中的褶皺，保證了石墨烯薄膜的超高質(zhì)量，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯在高端產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，或許會(huì)起到較大的推動(dòng)作用。不僅如此，提出和有效驗(yàn)證的質(zhì)子滲透模型，可以很容易拓展到其他材料，為調(diào)控其摻雜和內(nèi)應(yīng)力等，或可打開新的研究思路。

一般來(lái)說(shuō)，新材料的未來(lái)應(yīng)用前景，不僅取決于材料自身的性質(zhì)，更取決于如何可控地制備這種新材料，即“制備決定未來(lái)”。因此，對(duì)于包括石墨烯在內(nèi)的多種二維材料，發(fā)展出若干種可控制備宏量、高質(zhì)量樣品的制備方法，是實(shí)現(xiàn)其未來(lái)“顛覆性”應(yīng)用，推動(dòng)科技發(fā)展的前提和保障。石墨烯，經(jīng)歷了2004年首次發(fā)現(xiàn)后的16年快速發(fā)展期，目前已經(jīng)開發(fā)出了多種制備方法，包括有膠帶剝離法、化學(xué)剝離法、碳化硅外延法和化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)法等[2]。其中，CVD方法日趨成為制備大面積、高質(zhì)量石墨烯單晶晶�；蛘弑∧さ淖钪饕椒�。CVD方法的基本原理，是利用過渡金屬等多種生長(zhǎng)基體，在高溫環(huán)境下對(duì)氣態(tài)碳源進(jìn)行催化裂解，進(jìn)而在基體表面生長(zhǎng)出單層或者少層的石墨烯[3—5]。然而，生長(zhǎng)在金屬基體上的石墨烯，由于金屬基體的摻雜，會(huì)喪失其特殊的物性，因此，為了進(jìn)行深入的表征和物性研究，通常需要將生長(zhǎng)完成的樣品轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上。石墨烯的可控生長(zhǎng)和相應(yīng)的轉(zhuǎn)移技術(shù)，共同組成了CVD方法制備石墨烯的完整鏈條。目前，通過CVD方法制備的石墨烯，已經(jīng)可以初步滿足一些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的需求。值得注意的是，CVD方法獲得的石墨烯，其較高的晶體質(zhì)量是相對(duì)于化學(xué)剝離法和碳化硅外延法而言的，而相較于膠帶剝離法獲得的石墨烯片層，仍然有所欠缺。這是因?yàn)楫?dāng)前CVD方法在制備石墨烯的過程，仍然會(huì)引入晶體缺陷。缺陷的來(lái)源主要有兩種，一種是在CVD生長(zhǎng)過程帶來(lái)的點(diǎn)缺陷(point defect)、晶界(grain boundary)[6]和褶皺(wrinkle)[7]；另一種是轉(zhuǎn)移過程引起的破損(crack)、折疊(fold)和撕裂(tear)等。CVD方法制備石墨烯，經(jīng)過了逾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了包括局部通入氣態(tài)碳源等方法在內(nèi)的多種途徑，成功地生長(zhǎng)出厘米級(jí)的石墨烯六角形單晶晶粒[8]，以及開發(fā)多種轉(zhuǎn)移方式來(lái)消除轉(zhuǎn)移缺陷。然而，這些無(wú)點(diǎn)缺陷、無(wú)晶界、無(wú)轉(zhuǎn)移缺陷的石墨烯晶�；蛘弑∧�，其多種物理特性，尤其是大尺寸下電學(xué)輸運(yùn)特性，依然遜色于本征石墨烯。究其原因，CVD方法下石墨烯的褶皺，或許是影響其物性提升的更為重要的因素。


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