中国科学家成功制备超扁石墨烯薄膜

2020-07-09 11:25:10 新闻来源:网络
  据报道,与此相关的化学气相沉积法(CVD)是目前制备大面积、高质量单晶或薄膜的最重要的方法,但由于石墨烯与基体材料的强烈耦合,石墨烯在生长过程中会形成褶皱,这一现象严重制约了大规模均匀薄膜的制备,阻碍了二维材料的进一步发展和应用。
  CVD石墨烯中的褶皱是影响其物理性能的一个重要瓶颈。"高立波告诉记者,CVD石墨烯中的褶皱来自石墨烯与生长基质热膨胀速率的差异。石墨烯生长在铜、铂等生长基质中,生长温度超过600度。生长完成后,石墨烯的褶皱由下降到室温引起。褶皱的存在会影响石墨烯的优异性能,但在多大程度上影响其性能,还没有完整的比较数据。"如何彻底消除褶皱,制备超扁平石墨烯薄膜,已逐渐成为提高薄膜质量的重点和难点。"高力坡说。
  研究小组尝试了多种方法来消除褶皱,但结果并不令人满意,只留下了削弱石墨烯与生长矩阵之间耦合的唯一途径。"在总结大量实验的基础上,高功率波组发现高比例的热氢(H2)会在一定程度上削弱石墨烯与生长基质的耦合。同时,通过理论模拟,研究人员发现,在高浓度高温条件下,石墨烯与铜基体之间的氢对石墨烯与铜基体的耦合起到了弱化作用。在热氢的组成中,质子和电子可以自由地通过石墨烯的蜂窝晶格。因此,研究人员推测质子在穿透石墨烯后与电子结合形成氢的可能性是一定的。
  通过比较氢、氘(D2)和氦(He)等离子体的影响,验证了该模型的正确性。"高能波的引入已成为削弱质子密度耦合效应的关键途径,因此,研究小组利用氢等离子体处理起皱的石墨烯薄膜,外加高温,逐渐减弱和消除石墨烯的折叠。如果生长石墨烯,引入氢等离子体,石墨烯将完全起皱。
  采用扫描隧道显微镜(STM)观察了石墨烯薄膜的摩尔条纹和扫描隧道光谱(STS),用角分辨光电子能谱(ARPES)观察了石墨烯与铜衬底的耦合,用拉曼光谱表征了石墨烯薄膜在变温度下的热上升速率。用拉曼光谱对超光滑石墨烯薄膜进行了表征。它处于去耦合状态,与生长矩阵不成关系.由于石墨烯薄膜的超平坦特性,很容易清除石墨烯表面的其他物质,特别是在石墨烯转移过程中产生的残留转移介质PMMA。
  此外,为了突出超平坦石墨烯薄膜的优势,即尺寸大,质量高,研究人员还测量了石墨烯在不同线宽下的量子霍尔效应,线宽分别为2微米,20微米,100微米和500微米。在此之前,由于大石墨烯样品的均匀性,石墨烯量子霍尔效应的最大线宽为50微米,量子霍尔效应的阈值条件与1微米线宽下测量的本征石墨烯的阈值条件几乎相同。更重要的是,对于不同的线宽测量,他们平台的阈值显得几乎不变。 "这说明,只有消除褶皱,才能最大程度地实现大尺寸石墨烯的均匀化和高质量。"据高力波介绍,质子辅助CVD法不仅能尽可能地保持石墨烯的固有性质,对于未来其他种类纳米材料的制备也具有普适性。
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