铜箔表面单晶化用以制备大片单晶石墨烯 | 山东利特纳米技术有限公司-pg电子app

一直以来，铜箔（cu）是公认的cvd沉积高质量石墨烯薄膜的绝佳衬底材料。商用多晶cu表面存在的缺陷、台阶、晶界可作为石墨烯生长形核位点，同时也可使形核密度增大，使取向无规则化。因此，石墨烯晶粒尺寸的进一步生长受到一定限制。当不同取向的晶粒形成薄膜时，晶界的存在往往使电学、力学性能变差。因此，相比起机械剥离法，cvd生长石墨烯的质量还有待提高。

为了减小畴界所造成的不利影响，有必要制备出适用于多种应用场景的高质量大片单晶石墨烯薄膜。目前，控制cvd石墨烯形核以及生长的方法有以下两种。第一种方法是在石墨烯进行外延生长时精确控制畴取向，使临近畴之间建立无缝过渡。第二种方法是抑制形核密度，避免可能形成的畴界。虽然后一种方法可以通过控制碳前驱体的浓度来实现，其生长速度和产率一般较低（通常为1.8-2.4 μm/min， 几小时到几天）。

近期，北京大学的huan wang等人研究出一种铜箔表面单晶化作为石墨烯生长衬底材料，快速生长大尺寸单晶石墨烯片层的方法。首先，将多晶cu进行如图1中的卷叠，在1035℃下进行预氧化处理使多晶cu转变为单晶cu（100），随后通入氢气去除吸附在cu表面的氧。其原理在于利用表面氧气化学吸附诱导晶体结构重组（图2）。再者，铜箔间的圈绕或堆叠所形成的10 μm的间隙也促进石墨烯畴的生长。作者把这种生长机制归结于cvd过程中所谓的分子流动模式（molecular flow mode）。

根据石墨烯在堆叠铜箔（间隙：10－30μm）中的生长常数可计算出前驱气体的分子平均自由程约为300μm，因此在分子平均自由程内流动的气体以高频率撞击在铜箔内表面，这不仅提高了碳流量的浓度，也加强了分子与铜箔表面的相互作用。由图3（b）可以看出，堆叠铜箔内侧可在10 min内生长石墨烯方形畴最大尺寸为3mm。从相差矫正tem图像和拉曼光谱中可以看出所形成的石墨烯质量高并且是单层结构。

总之，在这种铜箔表面单晶化衬底上可沉积厘米尺寸级别的单晶石墨烯，生长速度最高可达300 μm/min，比之前报道的值高了两个数量级，也使大片石墨烯的规模化制备成为可能。 相关研究成果在线发表于知名期刊advanced materials上。

来源：低维材料

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