大尺寸單晶石墨烯及其薄膜制備和無損轉移取得重要進展

金屬所大尺寸單晶石墨烯的化學氣相沉積法制備及其無損轉移取得重要進展

　　最近，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部的成會明、任文才研究員帶領的石墨烯研究團隊，在大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的制備和無損轉移方面取得重要進展。相關論文于2月28日在《自然—通訊》上在線發表（Nature Communications, 2012, DOI: 10.1038/ncomms1702）。

　　作為單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀結構，石墨烯具有極高的載流子遷移率、高透光性、高強度等眾多優異的物理化學性質，在電子學、自旋電子學、光電子學、太陽能電池、傳感器等領域有著重要的潛在應用。目前制備高質量石墨烯的方法主要有膠帶剝離法、碳化硅或金屬表面外延生長法和化學氣相沉積法（CVD）。前兩種方法效率低，不適于大量制備，而迄今由CVD法制備的石墨烯一般是由納米級到微米級尺寸的石墨烯晶疇拼接而成的多晶材料。石墨烯中晶界的存在會嚴重降低其質量和性能，因此大尺寸單晶石墨烯的制備對于石墨烯基本物理性質的研究及其在電子學等方面的應用具有極其重要的意義。此外，對于在金屬基體上生長的石墨烯，生長后能否高質量地將石墨烯從金屬基體轉移到其它基體上是實現其在不同領域應用的前提。但現有轉移方法大多是將金屬基體腐蝕掉，不僅會造成石墨烯結構的破壞、基體金屬的殘存和環境污染，而且會顯著增加石墨烯的制備成本，尤其不適合化學穩定性強的貴金屬上石墨烯的轉移。

　　金屬所科研人員在前期常壓CVD方法生長石墨烯的基礎上，提出采用貴金屬鉑作為生長基體，實現了毫米級尺寸六邊形單晶石墨烯的制備（圖1），并制備出由毫米級單晶石墨烯構成的石墨烯薄膜。研究發現，多晶鉑和單晶鉑上石墨烯的生長行為相似，鉑對甲烷和氫氣較強的催化裂解能力以及反應中低濃度甲烷和高濃度氫氣的使用是實現石墨烯低成核密度并最終制備出大尺寸單晶石墨烯的關鍵。由于石墨烯與鉑基體熱膨脹系數差別小，所得石墨烯上褶皺的平均高度僅為0.8納米，遠小于銅、鎳基體上生長的石墨烯的褶皺。他們與中科院大連化學物理研究所包信和研究團隊合作，利用選區低能電子衍射和低能電子顯微鏡對單個石墨烯島進行了表征，發現具有規則六邊形結構的石墨烯島均為單晶，而邊界處有凹角存在的石墨烯島多為多晶結構。

　　與此同時，他們還發明了一種基于電化學氣體插層的鼓泡無損轉移方法，可將鉑上生長的石墨烯轉移到任意基體上（圖2）。與現有基于基體腐蝕的傳統轉移方法不同，該轉移方法對石墨烯及鉑基體均無破壞和損耗，鉑基體可無限次重復使用。轉移后的石墨烯完整保留了其原有的結構和質量，無金屬雜質殘留（圖3）。該鼓泡轉移方法操作簡便、速度快、無污染，并且適于釕、銥等貴金屬以及銅、鎳等常用金屬上生長的石墨烯的轉移，金屬基體可重復使用，可作為一種低成本、快速轉移高質量石墨烯的普適方法。拉曼光譜研究表明，該方法轉移的單晶石墨烯具有很高的質量（圖4）。他們還與北京大學電子系的彭練矛研究團隊合作，將轉移到Si/SiO2基體上的單晶石墨烯制成場效應晶體管，測量出該單晶石墨烯室溫下的載流子遷移率可達7100cm2V-1s-1（圖4），并有望通過使用氮化硼基體得到進一步提高。

　　金屬基體上大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的多次重復生長，為石墨烯基本物性的研究及其在高性能納電子器件、透明導電薄膜等領域的實際應用奠定了材料基礎。

　　該成果得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院等的資助，已申請中國發明ZL2項。

　　

　　圖1 多晶鉑上生長的毫米級單晶石墨烯及由其構成的連續薄膜

　　

　　圖2 基于電化學氣體插層的鼓泡無損轉移方法

　　

　　圖3 多晶鉑上生長及轉移到Si/SiO2基體上的六邊形單晶石墨烯

　　

　　圖4 六邊形單晶石墨烯的拉曼光譜及其電輸運特性