近日，來自日本和臺(tái)灣的研究人員創(chuàng)建了一種新的CVD方法，使用稀甲烷蒸氣源和熔融鎵催化劑在低至50°C的溫度下生長石墨烯。該研究是低溫石墨烯合成技術(shù)的重大進(jìn)展，研究人員首次將石墨烯直接生長到塑料基材上，并且未來可將石墨烯整合到各種電子設(shè)備中。

       眾所周知，CVD法是目前制備高質(zhì)量單層大面積石墨烯薄膜最有效的方法，但是目前的工藝需要1000℃以上的高溫，成本較高，過程復(fù)雜。近日，來自日本和臺(tái)灣的研究人員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種新的CVD方法，使用稀甲烷蒸氣源和熔融鎵催化劑在低至50°C的溫度下生長石墨烯。研究結(jié)果發(fā)表在了近期《Nature》旗下的《Scientific reports》期刊上。

       降低石墨烯的CVD合成溫度可以極好地將石墨烯整合到各種應(yīng)用中，如將CVD生長的石墨烯直接集成到電子器件中。

       該團(tuán)隊(duì)解釋說，在硅基電子學(xué)中，組件可以承受石墨烯一體化的上限溫度約為400°C。塑料半導(dǎo)體器件的閾值甚至更低，在石墨烯生長過程中它只能承受高達(dá)100°C的溫度。在常規(guī)的CVD技術(shù)條件下，石墨烯生長發(fā)生在1000°C附近，并不適合直接集成到電子器件中。

碳源的分解和石墨烯的生長過程

       這種新方法可以打破這種局限，該團(tuán)隊(duì)選用熔融鎵作為催化劑在稀釋甲烷氣氛的幫助下在藍(lán)寶石和聚碳酸酯基板上生長CVD石墨烯，所需溫度可以降低到50℃左右。選擇鎵作為催化劑，因?yàn)樗墙鼇硎┥L方法中被證明有效的催化劑，并且在合成石墨烯之后可以通過氣體射流容易地除去。碳源是利用空氣與氮?dú)夂蜌鍤饣旌衔锘旌舷♂屩?％的甲烷氣體。

石墨烯的表征結(jié)果

       研究人員使用拉曼光譜、掃描電子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡檢查了生長的石墨烯的質(zhì)量。表征結(jié)果顯示，新的CVD工藝能夠在近室溫（相對(duì)來說）下生長出高質(zhì)量的石墨烯，石墨烯分別在50℃和100℃的生長在了聚碳酸酯基板和藍(lán)寶石襯底上。

       通過將碳附著到預(yù)生長的石墨烯晶核邊緣上可以實(shí)現(xiàn)低溫合成，并且不會(huì)損壞基底或周圍組分。預(yù)先存在的晶核本身是通過常規(guī)CVD工藝或通過使用混合物12C和13C在低溫下的特殊的核轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的。

       熔融鎵催化劑的存在促進(jìn)了較低溫度下的甲烷吸收，使得最終的反應(yīng)勢(shì)壘很低，低于300℃和0.16eV。研究還發(fā)現(xiàn)鎵的熔融狀態(tài)足夠流動(dòng)以促進(jìn)碳原子的增加的轉(zhuǎn)運(yùn)和生長。

       研究發(fā)現(xiàn)與較低的反應(yīng)勢(shì)壘和低溫核轉(zhuǎn)移過程相關(guān)的快速生長動(dòng)力學(xué)促進(jìn)石墨烯的生長降至低至50℃，并且是競(jìng)爭(zhēng)途徑的結(jié)果，即甲烷先在鎵表面的分解; 然后大量液體鎵吸附甲烷，隨后甲烷再在鎵中沉積。

       研究還發(fā)現(xiàn)這兩種途徑分別在高溫和低溫下有利，并解釋了在該過程中存在弱溫度依賴性和低反應(yīng)勢(shì)壘的原因。甲烷吸收途徑也被認(rèn)為是熔融鎵所獨(dú)特具有的特點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)使用其它金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)該方法是無效的，包括普通的石墨烯催化劑如銅和鎳。

       該研究是低溫石墨烯合成技術(shù)的重大進(jìn)展，研究人員首次將石墨烯直接生長到塑料基材上。石墨烯領(lǐng)域的任何人都將了解低溫合成方法所具有的潛在影響，并可用于未來將石墨烯整合到各種電子設(shè)備中。