高質(zhì)量石墨烯在介電襯底上的直接化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。石墨烯在電介質(zhì)上的生長(zhǎng)總是受到成核密度高和質(zhì)量差的問(wèn)題。在此，提出了一種預(yù)熔化襯底促進(jìn)的選擇性蝕刻 （PSE） 策略。預(yù)熔化的襯底可以促進(jìn)電荷從襯底轉(zhuǎn)移到石墨烯結(jié)構(gòu)域附近的原子核，從而促進(jìn) CO2 蝕刻劑與原子核之間的反應(yīng)。因此，PSE 策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在石墨烯結(jié)構(gòu)域附近形成的原子核的選擇性刻蝕，從而在玻璃纖維上析出具有 ∼1 μm 均勻結(jié)構(gòu)域尺寸和 ∼0.13 ID/IG 比的高質(zhì)量石墨烯，在無(wú)金屬輔助的情況下在非催化襯底上生長(zhǎng)的石墨烯中實(shí)現(xiàn)了最大的結(jié)構(gòu)疇尺寸和最低的缺陷密度。與沒(méi)有 PSE 策略制造的石墨烯相比，石墨烯的質(zhì)量大大提高，作為電加熱器使用時(shí)，導(dǎo)電性顯著提高了 3 倍，工作壽命延長(zhǎng)了 7 倍。
圖1. PSE 策略的設(shè)計(jì)和理論研究。（a） PSE 策略示意圖。（b） 活性炭種類(lèi) （CH
3） 在固體和預(yù)熔化基材上的擴(kuò)散屏障。（c） 石墨烯生長(zhǎng)在固體和預(yù)熔化基板上的 SEM 圖像。生長(zhǎng)條件：∼1100 °C，大氣壓，CH
4/H
2 = 7：100 sccm，∼6 小時(shí)。（d） 石墨烯結(jié)構(gòu)域和細(xì)胞核模型的示意圖。（e） 面板 （d） 中 CO
2 蝕刻結(jié)構(gòu) I 和 IV 在固體和預(yù)熔化基材上的能壘。（f） 在固體和預(yù)熔化表面上，圖 （e） 中結(jié)構(gòu) IV 的原子核與襯底之間以及原子核與 CO
2 之間的電荷密度差 （CDD），其中綠色和黃色區(qū)域分別表示電子耗盡和積累。（g） 分別在預(yù)熔化和固體表面上進(jìn)行增強(qiáng)和有限電荷轉(zhuǎn)移的示意圖。
圖2. 石墨烯與 PSE 策略一起生長(zhǎng)。（a） 用不同的 C/H 比和固定 CO
2 制備的玻璃纖維和 GGFF 的照片。生長(zhǎng)條件：∼1100 °C，大氣壓，CO
2 = 4 sccm，∼8 h。（b） 面板 （a） 中玻璃纖維和 GGFF 的拉曼光譜。（c） graphene@PSE 和 graphene@Con 的拉曼光譜。（d） graphene@PSE的 SEM 圖像顯示疇大小為 ∼1 μm。（e） 單層比例為 ∼98% 的石墨烯的 AFM 圖像。插圖：圖 （e） 中石墨烯的層數(shù)分布。面板生長(zhǎng)條件 （c-e）：∼1100 °C，大氣壓，∼8 小時(shí)，PSE 策略：CH
4/H
2/CO
2 = 10：100：4 sccm;常規(guī)策略：CH
4/H
2 = 6：100 sccm。（f） 在我們的工作中獲得的石墨烯的缺陷密度和疇大小的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及通過(guò)其他報(bào)道的方法在非金屬襯底上獲得的缺陷密度和疇大小的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
圖3. PSE 策略中石墨烯的生長(zhǎng)行為。在 （a） ∼4 h、（b） ∼6 h 和 （c） ∼8 h 的生長(zhǎng)時(shí)間獲得的石墨烯結(jié)構(gòu)域的 SEM 圖像。生長(zhǎng)條件：∼1100 °C，大氣壓，CH4/H2/CO2 = 10：100：4 sccm。（d） 石墨烯疇大小的成核密度和 CV 隨生長(zhǎng)時(shí)間的演變。（e） 碳同位素標(biāo)記的石墨烯生長(zhǎng)示意圖。（f） 使用碳同位素標(biāo)記技術(shù)生長(zhǎng)的石墨烯的 SEM 圖像。生長(zhǎng)條件：∼1100 °C，大氣壓，CH
4/H
2/CO
2 = 10：100：4 sccm，第一個(gè) ∼6 小時(shí)
12CH
4，最后 ∼2 小時(shí)
13CH
4。（g）
12C-石墨烯的 D 波段強(qiáng)度在 1330-1370 cm
-1 的波數(shù)范圍內(nèi)和 （h）
13C-石墨烯在 1275-1315 cm
-1 的波數(shù)范圍內(nèi)的強(qiáng)度的拉曼映射。（i） 在沒(méi)有 CO
2 輔助的預(yù)熔襯底上生長(zhǎng)的石墨烯的疇尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在 CO
2 輔助下在固體襯底上生長(zhǎng)，以及在 CO
2 輔助下在預(yù)熔襯底上生長(zhǎng)的 PSE 策略的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。插圖：對(duì)應(yīng)的 SEM 圖像。生長(zhǎng)條件：∼1100 °C，大氣壓，∼6 h，CO
2 輔助的固體基質(zhì)和 PSE 策略：CH
4/H
2/CO
2 = 12：100：4 sccm;無(wú) CO
2 輔助的預(yù)熔基材：CH
4/H
2 = 7：100 sccm。（j） PSE 策略中石墨烯生長(zhǎng)機(jī)制的示意圖。
圖4. 石墨烯層和 GGFF 柔性電加熱器的導(dǎo)電性。（a） 用 PSE 和常規(guī)策略制造的石墨烯層的電導(dǎo)率。在 PSE 和傳統(tǒng)策略中制造的 GGFF 的 （b） 柔韌性差異和 （c） 測(cè)試的彎曲剛度示意圖。（d） GGFF 柔性電加熱器示意圖。（e） GGFF 柔性電加熱器的紅外圖像。（g） GGFF 加熱器在不同功率密度下的溫度曲線，以及 （f） 相應(yīng)的飽和溫度和加熱速率。（h） 具有不同石墨烯層數(shù)的 GGFF 加熱器的工作壽命和 （i） 老化測(cè)試。
相關(guān)研究成果由北京石墨烯研究所
Yue Qi和北京大學(xué)Zhongfan Liu課題組2024年發(fā)表在
ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c20313)上。原文：
Premelted-Substrate-Promoted Selective Etching Strategy Realizing CVD Growth of High-Quality Graphene on Dielectric Substrates
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
