化學所高質量石墨烯和氮化硼的制備及性能研究獲進展

發布時間：2014-03-19 14:41 原文鏈接：化學所高質量石墨烯和氮化硼的制備及性能研究獲進展

　　高質量二維原子晶體的可控制備是基礎研究和應用開發的前提，目前是迫切需要優先研究的重大基礎科學問題之一。可控制備的最終目的是獲得大面積、單層和單晶結構的二維原子晶體。

　　在中國科學院、科技部和國家自然科學基金委的大力支持下，中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室的相關科研人員最近在石墨烯、氮化硼的可控制備和性能研究方面取得重要進展，有關結果均發表在Adv. Mater.上。

　　介電層上直接生長單晶石墨烯。化學氣相沉積法(CVD)因兼有高質量和宏量的優點已成為石墨烯制備的最重要的方法之一。但利用這種方法制備的石墨烯一般都需要轉移到其它介電層上，才能制備石墨烯器件和電路，轉移過程將帶來石墨烯破損、褶皺、污染以及材料浪費等問題。因此，能否在介電層上直接生長石墨烯就具有重要的科學意義和巨大的技術需求。它與目前硅電子學的加工工藝兼容，石墨烯不需要轉移，可以直接用于器件的制備和組裝。在前期工作中，研究人員發明了氧輔助法，在二氧化硅絕緣材料上直接制備了石墨烯薄膜(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17548)。隨后他們又發現通過兩段化學氣相沉積方法，控制石墨烯的成核點和晶區尺寸，實現了在氮化硅表面上的直接生長。制備的石墨烯薄膜中石墨烯疇晶的尺寸達1μm，遷移率在空氣中可以達到1510 cm2 V-1s-1(Adv. Mater., 2013, 25,992)。但上述兩種方法制備的石墨烯薄膜均為多晶結構。本工作中他們開發了小氣流、長時間、在接近平衡態條件下的沉積方法，在多種絕緣基底上實現了微米尺度石墨烯單晶的非金屬催化生長和可控制備。最大石墨烯單晶尺寸達11微米(圖1左)，是文獻中報道的在氮化硼基底生長的石墨烯單晶尺寸的30倍。這種石墨烯單晶具有完美的晶體結構，并且表面干凈、無褶皺、無破損。由它制備的場效應晶體管的遷移率超過5000 cm2 V-1s-1。該研究成功地實踐了中華名言“慢工出細活”，即在小氣流、接近平衡態的條件下，由甲烷分解的碳原子有充足的時間重新自組裝成單晶石墨烯。該研究結果發表在《先進材料》上(Adv. Mater., 2014, 1348-1353)，并被選為內封底(圖1右)。

圖1 單晶石墨烯AFM照片(左)和《先進材料》內封底(右)

　　具有大疇晶尺寸的六方氮化硼(h-BN)單層薄膜的制備。近年來石墨烯在場效應晶體管方面的研究引起了人們的廣泛關注，其場效應器件主要是以二氧化硅/硅為基底進行組裝，該類器件由于二氧化硅表面的雜質引起的電荷散射、表面的懸空鍵和電荷陷阱的存在，從而無法充分展示石墨烯本身的優良性能。而六方氮化硼是寬帶隙(5.9 eV)類石墨烯的2D層狀結構的材料，其本身諸多優良性能，例如：高溫穩定性、較好的機械性能、良好的導熱性能、中等的介電常數(~4)，使其擁有廣泛的應用前景;與此同時其表面的不存在雜質電荷、懸空鍵和電荷陷阱及與石墨烯超高的晶格匹配度(大于98%)，這些性能決定了其作為場效效應器件中的介電層明顯優于二氧化硅。

　　目前對于h-BN的制備主要是采用化學氣相沉積的方法(CVD)，存在的主要問題是制備過程中單片h-BN的尺寸較小，從而增加了薄膜的晶界，降低了薄膜的質量，同時在石墨烯和h-BN界面處存留雜質的存在也降低了其作為介電層在石墨烯場效應器件中的性能。針對這些問題，化學所有機固體重點實驗室相關研究人員與哈工大胡平安教授合作，采用CVD的方法制備得到了20μm大小的單片三角形的h-BN(圖2左上)，進一步生長得到連續的薄膜，從而降低薄膜的晶界，提高了薄膜的質量。由于h-BN較高的穩定性和抗氧化性能，對利用聚甲基丙烯酸甲酯輔助轉移到二氧化硅/硅基底上的薄膜，在空氣中熱處理除去轉移過程中的殘留物，得到了表面干凈的h-BN薄膜。由其組裝成石墨烯的場效應器件(圖2左下)，遷移率比不經過熱處理的器件提高了6倍。該研究成果發表在《先進材料》上(Adv. Mater., 2014, 26, 1559-1564)，并被選為內封面(圖2右)。