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我國科學家成功研制超平整石墨烯薄膜

2020-01-10 光明日報 蘇雁 吳煜昊
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  近日,由南京大學物理學院高力波教授團隊領銜,協同學院四個青年學者團隊,以“質子輔助生長超平整石墨烯薄膜”為題,在《自然》雜志上發表了將質子輔助生長用于高質量石墨烯制備的研究成果。這項工作,不僅探索出了一種可控生長超平整石墨烯薄膜的方法,更為重要的是,該團隊還發現了這種生長方法的內在機制,即質子輔助,這種方法有望推廣到柔性電子學、高頻晶體管等更多重要的研究領域。

  據悉,該成果所涉及的化學氣相沉積方法(CVD)生長石墨烯,是目前制備大面積、高品質單晶晶?;蛘弑∧さ淖钪饕椒?。然而,由于石墨烯與基質材料能夠產生強耦合作用,使得石墨烯在生長過程中會形成褶皺。這一現象嚴重限制了大尺度均一薄膜的制備,阻礙著二維材料的進一步發展應用。

  “CVD石墨烯中的褶皺是影響其物性的重要瓶頸?!备吡Σǜ嬖V記者,CVD石墨烯中的褶皺,來源于石墨烯與生長基體的熱脹率差異,石墨烯生長于銅或者鉑等生長基體,生長溫度多在600度以上,生長完成后降至室溫便引起石墨烯的褶皺。褶皺的存在,會影響石墨烯的優良特性,然而,究竟在多大程度上能夠影響其性能,并沒有完整的對比數據?!叭绾螐氐椎叵薨?,并制備出超平整的石墨烯薄膜,逐漸成為其品質跨越式提升的重點和難點?!备吡Σㄕf道。

  研究團隊嘗試過多種消除褶皺的方法,但效果都不盡如人意,僅剩下減弱石墨烯與生長基體之間耦合作用的唯一途徑。在總結大量實驗的基礎上,高力波團隊發現,高比例的熱氫氣(H2),會在一定程度上,弱化石墨烯與生長基體之間的耦合作用。同時,研究人員通過理論模擬發現,處在石墨烯與銅基體之間的氫,在大濃度、高溫的條件下,可以起到減弱二者耦合的作用。在熱氫氣的組分中,質子和電子可以自由穿梭于石墨烯的蜂窩狀晶格。因此,研究人員推測,質子在穿透石墨烯后,有一定概率會再次與電子組合成氫。

  “課題組通過氫氣、氘氣(D2)、氦氣(He)等離子體的作用效果對比,驗證了所設想的模型?!备吡Σń榻B,增加質子密度,成為減弱二者耦合作用的關鍵途徑。有鑒于此,研究團隊采用氫氣等離子體處理褶皺化的石墨烯薄膜,并輔以高溫,逐步減弱并消除石墨烯褶皺。如果在生長石墨烯的同時,引入氫氣等離子體,則生長出來的石墨烯完全無褶皺。

  為了全方位表征無褶皺化的石墨烯薄膜,通過多種物性測量,包括掃描隧道顯微鏡(STM)觀測摩爾條紋和掃描隧道譜(STS)、角分辨光電子能譜(ARPES)直觀觀測石墨烯與銅基體的耦合作用變化、變溫拉曼光譜表征熱漲率差異等,都表明了這種超平整的石墨烯薄膜,處于與生長基體脫耦合、無摻雜的狀態。由于石墨烯薄膜的超平整特性,因此在清除石墨烯表面其他物質,尤其是石墨烯轉移過程中產生的轉移介質PMMA殘留時,表現出極易清潔的優點。

  此外,為了凸顯超平整石墨烯薄膜的優點,即大尺寸和高品質,研究人員還進行了不同線寬下的石墨烯量子霍爾效應的測量,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出現的最大線寬為50μm,而生長出來的超平整石墨烯薄膜,量子霍爾效應出現的閾值條件,和1μm線寬時測量的本征石墨烯幾乎相當。更重要的是,對于不同線寬測量,他們的平臺出現閾值幾乎不變?!斑@表明只有消除褶皺,才能在最大程度上實現大尺寸石墨烯的均質化、高品質?!备吡Σū硎?,質子輔助的CVD方法不僅能夠盡可能維持石墨烯的固有性質,還將對今后制備其他種類的納米材料具有普適性。

打印 責任編輯:侯茜
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