想控制片层石墨生长？控制催化剂表面形态是关键！

材料牛注：二维纳米石墨材料在许多电子器件上用途广泛，而控制好它的性质，就能使其更好地为人们服务。日前，科学家们通过改进后的扫描电镜对其生长方式进行了观测，发现这种材料的生长和性能与其基底表面形态密不可分。

日前，英、美、德三国的研究人员利用扫描电子显微镜成功观测并录制到石墨烯在多晶金属表面形核和生长的过程。石墨烯的生长会因金属表面状况的不同而产生不同的形状和生长速率，这一现象为制备应用于特殊状况下、有着规整结构和良好性能的石墨片层电子元件提供了可能，而上述研究成果正好为研究员观察这一现象提供了便利。

多晶催化剂表面生长的石墨烯

催化生长的石墨（仅一层原子厚的片层石墨）以及其他多晶金属表面由化学气相沉积制备形成二维材料，是目前生产连续片层纳米材料的最佳方法。更令人惊叹的是，通过这项技术，我们可以制备具有与石墨烯相同电子特性的片层石墨，不仅如此，这种片层石墨可以在低成本多晶催化基底上延伸好几个平方米。因此，这种催化剂的使用就显得尤为重要，其结构直接影响了制备而成的二维材料的各项性能，包括厚度、面积以及缺陷密度。

然而，直到现在，科学家们也没有弄明白，催化剂表面形态（也就是阶梯线和晶界）是怎样影响片层石墨的生长的。

观察片层石墨的形核和生长

Robert Weatherup 领导了由英国剑桥大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室成员组成的研究团队，该团队利用一种经过改进的特殊扫描电镜得到了片层石墨形核生长的影像资料。该技术为研究人员观察碳氢化合物气体（乙烯）气氛下，激光加热至1000℃后，多晶铂金属箔上片层石墨形核生长的状态提供方便。

Weatherup解释说，“碳氢化合物破坏催化剂表面，促使碳元素生长成为片层石墨。这一过程就是化学气相沉积。因此，我们就能够观察并录制石墨在不同晶型多晶表面生长的情况。运用电子衍射散射技术，我们就能够控制不同催化剂晶粒定向生长的方向，并由此控制与之对应生成的片层石墨烯的形态和生长速率。”

材料的生长状态难以用一般模型解释

Weatherup告诉nanotechweb.org网站，材料晶体结构对其性能有着深远影响，因而晶体生长的研究对材料工程领域尤为重要。“比如，在半导体产业中，大块单晶硅被用作制作微芯片，从而避免晶界对元件电子性能的干扰和对微芯片上晶体管性能的影响。”

“片层石墨是限制在催化剂表面的二维晶体材料，因而我们通常用来解释三维晶体材料生长的理论也就失灵了。现如今，新科技的飞速发展为我们研究纳米晶体生长提供了便利，帮助我们研究和控制具有特殊性能的材料的生长。这点对发展二维及其他纳米材料的先进应用起到至关重要的作用。”

更加的复杂结构

这一研究团队的成员包括来自美国西北大学、德国哈伯研究所和英国国家物理实验室的科学家们，他们声称其研究方向已经扩展至其他二维材料，如密排六方氮化硼材料。“这种材料的机理更加复杂，因为我们需要考虑氮和硼这两种的组成元素的作用情况。通过对这些二维纳米结构材料生长过程的观察，我们对其形成和结合生长的复杂机制（如具有新型电子性能的垂直堆叠层）更加了解。”Weatherup解释说。

原文链接：Catalyst surface affects graphene growth。

文献链接：Electrochemistry tunes graphene synthesis (Jul 2015)
Graphene growth substrate tailors metal atom magnetism (Oct 2014)
Transition metal surface stabilizes graphene edge structures (Jun 2014)
Surface steps tailor graphene growth at low pressure (Feb 2013)

本文由编辑部赵丹提供素材，张文扬编译，点我加入材料人编辑部。