近日, 来自日本和台湾的研究人员创建了一种新的CVD方法, 使用稀甲烷蒸气源和熔融镓催化剂在低至50°C的温度下生长石墨烯. 该研究是低温石墨烯合成技术的重大进展, 研究人员首次将石墨烯直接生长到塑料基材上, 并且未来可将石墨烯整合到各种电子设备中.
众所周知, CVD法是目前制备高质量单层大面积石墨烯薄膜最有效的方法, 但是目前的工艺需要1000℃以上的高温, 成本较高, 过程复杂. 近日, 来自日本和台湾的研究人员团队创建了一种新的CVD方法, 使用稀甲烷蒸气源和熔融镓催化剂在低至50°C的温度下生长石墨烯. 研究结果发表在了近期《Nature》旗下的《Scientificreports》期刊上.
降低石墨烯的CVD合成温度可以极好地将石墨烯整合到各种应用中, 如将CVD生长的石墨烯直接集成到电子器件中.
该团队解释说, 在硅基电子学中, 组件可以承受石墨烯一体化的上限温度约为400°C. 塑料半导体器件的阈值甚至更低, 在石墨烯生长过程中它只能承受高达100°C的温度. 在常规的CVD技术条件下, 石墨烯生长发生在1000°C附近, 并不适合直接集成到电子器件中.
这种新方法可以打破这种局限, 该团队选用熔融镓作为催化剂在稀释甲烷气氛的帮助下在蓝宝石和聚碳酸酯基板上生长CVD石墨烯, 所需温度可以降低到50℃左右. 选择镓作为催化剂, 因为它是近来石墨烯生长方法中被证明有效的催化剂, 并且在合成石墨烯之后可以通过气体射流容易地除去. 碳源是利用空气与氮气和氩气混合物混合稀释至5%的甲烷气体.
石墨烯的表征结果
研究人员使用拉曼光谱, 扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜检查了生长的石墨烯的质量. 表征结果显示, 新的CVD工艺能够在近室温(相对来说)下生长出高质量的石墨烯, 石墨烯分别在50℃和100℃的生长在了聚碳酸酯基板和蓝宝石衬底上.
通过将碳附着到预生长的石墨烯晶核边缘上可以实现低温合成, 并且不会损坏基底或周围组分. 预先存在的晶核本身是通过常规CVD工艺或通过使用混合物12C和13C在低温下的特殊的核转移技术制备的.
熔融镓催化剂的存在促进了较低温度下的甲烷吸收, 使得最终的反应势垒很低, 低于300℃和0.16eV. 研究还发现镓的熔融状态足够流动以促进碳原子的增加的转运和生长.
研究发现与较低的反应势垒和低温核转移过程相关的快速生长动力学促进石墨烯的生长降至低至50℃, 并且是竞争途径的结果, 即甲烷先在镓表面的分解;然后大量液体镓吸附甲烷, 随后甲烷再在镓中沉积.
研究还发现这两种途径分别在高温和低温下有利, 并解释了在该过程中存在弱温度依赖性和低反应势垒的原因. 甲烷吸收途径也被认为是熔融镓所独特具有的特点, 因为当使用其它金属时, 发现该方法是无效的, 包括普通的石墨烯催化剂如铜和镍.
该研究是低温石墨烯合成技术的重大进展, 研究人员首次将石墨烯直接生长到塑料基材上. 石墨烯领域的任何人都将了解低温合成方法所具有的潜在影响, 并可用于未来将石墨烯整合到各种电子设备中.
