擴展單晶石墨烯

晶粒在成核、生長以及聚合的時候,晶體結構的週期性總是會被打破,所以我們實際應用的材料一般都是多晶的。對於三維材料來說,晶粒的尺寸還有它們之間的晶界對材料本身的物理性質有著巨大的影響。例如在金屬中,晶界提高了材料的強度,但對導電性有著不利影響。

同樣,二維材料,典型的如石墨烯應該也存在著類似的情況。一些研究指出採用氣相沉積法在金屬襯底上生長出的石墨烯就存在不同晶粒間的晶界,而晶界的確會影響石墨烯的導電性能,那些展現了出色的導電性能的石墨烯基本上都是用天然石墨剝離出來的。

因此,科學家追求的是控制石墨烯晶粒的成核和生長,從而得到大片的單晶石墨烯。美國休斯頓大學,德州州立大學助理教授於慶凱(Qingkai Yu)與普度大學助理教授陳勇共同領導的科研小組在《自然—材料(Nature Materials)》上的論文,還有德克薩斯大學奧斯汀分校教授Rodney Ruoff科研小組最近發表於《美國化學學會會刊(JACS)》的論文都提出了改進石墨烯生長,獲取更大的單晶石墨烯的方法,後者已經可以得到幾分之一毫米大小的單晶石墨烯。兩項研究都是用銅作為石墨烯生長的襯底,於慶凱的研究顯示,銅本身的晶粒間的邊界對石墨烯晶體的生長沒有造成影響。通過SP2雜化軌道成鍵的碳原子之間結合力量非常強,克服了襯底金屬的干擾。

Ruoff團隊採用的方法是採用低分壓的甲烷氣體作為原材料,這樣沉積產生的晶核密度低,晶體生長也比較緩慢,這兩點對於形成大尺寸的單晶石墨烯都是非常關鍵的。而於慶凱則採用了半導體工藝中常用的種子方法,在銅襯底上放置好石墨烯晶核,然後生長出連續的石墨烯晶體。

石墨烯不是唯一的二維材料,氮化硼、雙硫屬化合物和拓撲絕緣體等也都是很有希望的新材料,對石墨烯生長的研究將會對二維材料的發展提供寶貴的經驗。

來源:《自然—材料》5月8日論文摘要

哈林 審稿 / 本文原發表於科學松鼠會資訊小分隊


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