化學(xué)氣相沉積已經(jīng)成為高質(zhì)量石墨烯合成的一種有前途的方法。石墨烯的質(zhì)量，包括缺陷密度、單晶疇的大小和層數(shù)，取決于生長(zhǎng)條件。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括溫度、金屬催化劑成分、生長(zhǎng)環(huán)境和反應(yīng)室中的氣體動(dòng)力學(xué)。在這里，我們發(fā)現(xiàn)即使在相同的生長(zhǎng)條件下，簡(jiǎn)單地將碳源從甲烷改變?yōu)橐彝榛蛞胰惨矔?huì)產(chǎn)生截然不同的生長(zhǎng)模式，從而允許在多晶金屬箔基底上生產(chǎn)類(lèi)似單晶的石墨烯。這種新的單晶生長(zhǎng)機(jī)制不需要局部供應(yīng)碳前體或先引入的特殊單晶催化基質(zhì)。我們將生長(zhǎng)機(jī)制中觀察到的差異歸因于由乙烷和乙炔形成的穩(wěn)定且可移動(dòng)的二聚體C
2H
x中間物，與由甲烷和丙烷形成的難移動(dòng)的CH
x和C
3H
x形成對(duì)比。
方案1. 產(chǎn)生活性物質(zhì)(C
2H
x和CH
x)和使用乙烷或甲烷作為前體的石墨烯生長(zhǎng)/蝕刻的主要步驟。
圖1. 兩種化學(xué)氣相沉積（CVD）石墨烯生長(zhǎng)模式的演示:當(dāng)使用甲烷作為前驅(qū)體(a-c)時(shí)，石墨烯通過(guò)遍布基底的成核顆粒生長(zhǎng)；而使用乙烷作為前驅(qū)體(d-f)時(shí)，石墨烯在前端成核，當(dāng)箔被限制在狹窄的空間(g-i)中時(shí)，成核前端更狹窄(沒(méi)有晶種擴(kuò)散)。垂直箭頭表示氣流方向。前兩個(gè)的條件是相同的，即在2型和3型銅/鎳金屬箔上，在1070℃時(shí)，分別使用60 sccm的0.1% 甲烷/氬和60 sccm的0.05% 乙烷/氬以及500 sccm的2.5% H
2/ Ar沉積30分鐘。光學(xué)圖像在(a，b，d，e，g，h)中，掃描電鏡圖像在(c，f，I)中。
圖2. 說(shuō)明甲烷(a)和乙烷(b)前體在石墨烯生長(zhǎng)中的主要差異:(a)甲烷前體主要產(chǎn)生難移動(dòng)的CH
x物質(zhì)，從而使多個(gè)石墨烯疇隨機(jī)成核和較慢生長(zhǎng)；(b)乙烷前體在銅表面產(chǎn)生可移動(dòng)的C
2H
x物質(zhì)，其容易移動(dòng)并結(jié)合到石墨烯邊緣，這也允許較低濃度的生長(zhǎng)；流動(dòng)性較差的CH
x物質(zhì)大多是在蝕刻中由石墨烯邊緣的氫原子生成的。C)中的計(jì)算改編自[30]，其表明C
2H
x更穩(wěn)定，并且它們?cè)贑u(100)上擴(kuò)散的激活勢(shì)壘低于CH
x物質(zhì)。
圖3. 石墨烯覆蓋的溫度依賴性，晶種的擴(kuò)散和拉曼數(shù)據(jù)。石墨烯樣品使用60 sccm的C
2H
6(0.05% Ar)和500 sccm的2.5% H
2/ Ar在3型箔上制備30分鐘，沉積溫度從700℃變化到1090℃，同時(shí)保持相同的退火步驟，即在2.5% H
2/ Ar、1090℃下30分鐘。
圖4. (a)用于石墨烯生長(zhǎng)的1毫米間隙外殼照片；(b)使用60 sccm的0.05% 乙烷混合物和500 sccm的2.5% H
2/Ar，在3型箔上生長(zhǎng)120分鐘的石墨烯的光學(xué)圖像；(c)石墨烯前端附近的放大圖像顯示清晰邊緣；(d)氫蝕刻后的前端圖像，顯示石墨烯中的蝕刻孔位于石墨烯邊緣上游狹窄的ca. 0.3±0.1mm帶中；(e)進(jìn)一步放大的圖像顯示，孔具有拉長(zhǎng)的六邊形形狀，并且它們的最長(zhǎng)邊緣明顯平行；(f)這些六邊形孔在多個(gè)位置的邊緣取向直方圖顯示了三個(gè)尖銳的峰，它們以60°分開(kāi)，對(duì)應(yīng)于單晶狀石墨烯。
相關(guān)研究成果由美國(guó)新墨西哥州大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系Dhanraj B. Shinde等人于2021年發(fā)表在Carbon Trends (https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.10 0 093)上。原文：Unique role of dimeric carbon precursors in graphene growth by chemical vapor deposition。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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