JACS 报道: 利用初级成核主导的CVD生长在电介质基底上生长均匀石墨烯薄膜

【背景介绍】

可控的制备高质量石墨烯是实现其在各领域广泛应用的重大挑战。特别是在电介质基底上大面积生长均匀的石墨烯，对于其在电子学和光电子学领域应用是非常重要的。目前化学气相沉积（CVD）生长法是大规模生产高质量石墨烯的最有前景的一种方法。虽然在金属上石墨烯的生长取得了巨大的进展，但是由于固有的催化活性较差，在电介质上石墨烯的生长速度要慢得多，故而现在主要采用金属辅助或等离子体来增强生长。然而，不同于金属表面自限制生长，电介质基底上石墨烯的生长仍然存在着生长速度慢和多次成核的问题，可能形成厚度不均匀或质量差的石墨烯薄膜。因此，直接在电介质基底上制备均匀的石墨烯薄膜虽然存在巨大的挑战，但其具有重大的科学和现实意义。

【成果简介】

近日，中国科学院化学研究所的于贵研究员和清华大学的徐志平教授（共同通讯作者）强强联合首次报道了一种新的前体修饰策略可以成功地抑制石墨烯的二次成核，从而在电介质基底上形成超均匀的石墨烯薄膜。研究机理发现，二氧化硅基质的羟基化削弱了石墨烯边缘与基底之间的结合，从而实现了初级成核主导的生长。基于石墨烯薄膜的场效应晶体管显示出优异的电性能，电荷载流子在空气中的迁移率高达3800 cm² V^-1 s^-1，远高于已报道的在电介质基底上生长的石墨烯薄膜的迁移率。研究成果以题为“Primary Nucleation-Dominated Chemical Vapor Deposition Growth for Uniform Graphene Monolayers on Dielectric Substrate”发布在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【图文解读】

图一、石墨烯在电介质基底上的多种生长示意图
（a）多重成核主导的石墨烯在电介质基底上的生长示意图；

（b）初级成核主导的石墨烯在电介质基底上生长的示意图；

（c）由沉积在Si封端的二氧化硅上的石墨烯纳米线组成的混合结构；

（d）图c中四种混合结构的相应形成能垒。

图二、前体修饰策略生长的具有不同覆盖度的石墨烯样品
（a-c）具有均匀形状和尺寸的石墨烯薄膜的SEM图；

（d-f）有均匀形状和尺寸的石墨烯薄膜对应的AFM图；

（g-i）图a-c中石墨烯薄片的粒径的直方图。

图三、探究单分子层石墨烯薄膜的生长机理
（a-b）均匀石墨烯薄膜的SEM图；

（c）图b中石墨烯颗粒的粒径直方图；

（d）均匀石墨烯薄膜的拉曼光谱；

（e）单层石墨烯薄膜边缘的TEM图；

（f）单层石墨烯薄膜的AFM图；

（g-i）图g中的标记区域的光学图像、相应的拉曼G峰和2D峰强度映射。

图四、单层石墨烯薄膜的电性能测试
（a）石墨烯薄膜生长的示意图；

（b）基于石墨烯的FET器件的结构示意图；

（c）室温下，空气中装置的输出曲线；

（d）器件在VDS = -1 V时的转移曲线；

（e）23个设备的载波移动性分布，主要范围为3500-4000 cm² V^-1 s^-1。

【小结】

综上所述，作者开发了一种前体修饰的化学气相沉积策略，用于在电介质基底上制备出高质量的石墨烯。作者利用一次成核机制，在电介质基底上直接生长出形状和尺寸均匀的石墨烯颗粒和单层薄膜。制备的均匀单层石墨烯的FET器件表现出优异的电性能，其载流子迁移率高达3800 cm² V^-1 s^-1。利用这种可控、简单的方法在电介质基底上制备出高质量石墨烯薄膜将非常有助于石墨烯薄膜在集成电子和光电子学中的应用。同时，这为开发无催化剂和制备高品质石墨烯的提供一种新方法。

文献链接：Primary Nucleation-Dominated Chemical Vapor Deposition Growth for Uniform Graphene Monolayers on Dielectric Substrate（JACS, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b05705）

本文由CQR编译。

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