超潔凈石墨烯薄膜

成會明

1清華大學(xué)，清華-伯克利深圳學(xué)院，深圳蓋姆石墨烯中心，廣東 深圳 518055

2中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽材料科學(xué)國家研究中心，先進(jìn)炭材料研究部，沈陽 110016

超潔凈石墨烯薄膜的制備方法。

石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都受到極大的關(guān)注和重視。眾所周知，制備決定材料的未來。化學(xué)氣相沉積方法(Chemical Vapor Deposition，CVD)是目前制備大面積、高質(zhì)量石墨烯薄膜的最佳選擇1,2。近年來，針對石墨烯薄膜缺陷濃度、疇區(qū)尺寸、堆垛方式、層數(shù)、摻雜濃度等的精確控制均取得了一系列進(jìn)展3-5。然而，CVD制備石墨烯過程中的污染問題一直沒有得到足夠的重視和解決，這極大地限制了對高質(zhì)量石墨烯薄膜基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的推進(jìn)。因此，明晰石墨烯薄膜表面污染物的成因，并在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、超潔凈石墨烯薄膜的大面積、低成本、可控生長，成為亟待解決的重大挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)劉忠范教授研究組和彭海琳教授研究組首次發(fā)現(xiàn)并闡明了化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯薄膜的本征污染問題及其普遍性，確認(rèn)了石墨烯薄膜表面污染物的主要成分是無定形碳，并對其結(jié)構(gòu)和成因進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。進(jìn)而他們提出了“助催化”策略對氣相反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，通過構(gòu)筑泡沫銅/銅箔垂直堆垛結(jié)構(gòu)6和選用含銅碳源—醋酸銅7，保證了在石墨烯生長過程中粘滯層內(nèi)銅催化劑的持續(xù)有效供給，從而促進(jìn)了氣相活性碳物種的充分裂解，抑制了生成無定形碳污染物的副反應(yīng)的發(fā)生，最終率先實(shí)現(xiàn)了超潔凈石墨烯薄膜的直接制備。

除了抑制石墨烯薄膜生長過程中副產(chǎn)物的生成外，劉忠范教授研究組和彭海琳教授研究組還提出了表面清潔工藝，對已經(jīng)形成的表面污染物進(jìn)行選擇性去除，制備出了大面積超潔凈石墨烯薄膜。弱氧化劑，如二氧化碳，能夠在CVD系統(tǒng)內(nèi)原位刻蝕去除反應(yīng)活性更高的無定形碳污染物，其在合適反應(yīng)溫度窗口內(nèi)(～500 °C)的高刻蝕選擇性保證了石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)不受破壞8。此外，由活性炭粉末粘結(jié)而成的“魔力粘毛輥”對污染物有強(qiáng)吸附能力，結(jié)合界面力的調(diào)控，也能夠高效清潔石墨烯表面，且處理工藝溫度更低(～180 °C)9。上述后處理方法簡單、溫和、兼容性好，更適合超潔凈石墨烯薄膜的大面積、低成本批量制備。

生長在銅金屬表面的石墨烯薄膜需轉(zhuǎn)移至特定功能基底上才能有效發(fā)揮其作用。非潔凈石墨烯轉(zhuǎn)移后其表面通常有大量的高聚物殘留，而潔凈生長的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移后仍能保持高潔凈度6-9。特別值得指出的是，超潔凈石墨烯薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)6-9、光學(xué)6-9、熱學(xué)6性質(zhì)和本征親水性6。其中，超高的載流子遷移率(1083000 cm2·V-1·s-1)和極低的接觸電阻(96 Ω·μm)均優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的所有CVD石墨烯薄膜的測量結(jié)果6,9。

上述相關(guān)研究成果近期分別在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊上在線發(fā)表6-9。超潔凈石墨烯的成功制備將大大促進(jìn)石墨烯的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，加快推動CVD制備的石墨烯薄膜的實(shí)際應(yīng)用。