用化学气相沉积方法(CVD)生长石墨烯,日趋成为制备大面积、高品质单晶晶粒或者薄膜的最主要方法。然而,十多年来,用该方法生长的石墨烯,总是逊色于胶带剥离法获得的本征石墨烯片层。1月9日,南京大学物理学院高力波教授团队领衔的研究团队,在《自然》杂志发表文章称,他们探索出一种可控生长超平整石墨烯薄膜的方法及其内在机制,有望推广到新材料、新能源应用等重要研究领域。
a:质子渗透和氢去耦合模型;b:普通CVD方法生长的有褶皱石墨烯;c:氢气等离子体处理过后的同位置褶皱变化;d:质子辅助生长的超平滑石墨烯薄膜。
CVD石墨烯中的褶皱是影响石墨烯物性的重要瓶颈。CVD石墨烯中的褶皱,来源于石墨烯与生长基体的热涨率差异,石墨烯生长在铜或者铂等生长基体上,生长温度多在600度以上,生长完成后降至室温变引起石墨烯的褶皱。石墨烯中的褶皱,究竟在多大程度上能够影响其性能,并没有完整的对比数据。
因此,如何彻底消除褶皱,并制备出超平滑的石墨烯薄膜,成为提升其品质的重点和难点。
在进行大量实验后,研究团队发现,高比例的热氢气,会在一定程度上,弱化石墨烯与生长基体之间的耦合作用。
同时,研究人员通过理论模拟发现,处在石墨烯与铜基体之间的氢,在大浓度、高温条件下,可以减弱二者耦合。在热氢气的组分中,质子和电子,可以自由穿梭于石墨烯的蜂窝状晶格。
因此,研究人员推测了质子在穿透石墨烯后,有一定概率会再次与电子组合成氢。为此,课题组通过氢气、氘气、氦气等离子体的作用效果对比,验证了设想的模型。他们采用氢气等离子体处理褶皱化的石墨烯薄膜,并辅以高温,逐步减弱并彻底消除石墨烯褶皱。如果在生长石墨烯的同时,引入氢气等离子体,则生长出来的石墨烯则为完全无褶皱。
由于石墨烯薄膜超平滑,研究人员在清除石墨烯表面其他物质,尤其是石墨烯转移过程中的转移介质PMMA残留时,还发现其极易清洁。