近日, 來自日本和台灣的研究人員建立了一種新的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的重大進展, 研究人員首次將石墨烯直接生長到塑料基材上, 並且未來可將石墨烯整合到各種電子設備中.
眾所周知, CVD法是目前製備高質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, 過程複雜. 近日, 來自日本和台灣的研究人員團隊建立了一種新的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. 研究結果發表在了近期《Nature》旗下的《Scientificreports》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用中, 如將CVD生長的石墨烯直接整合到電子器件中.
該團隊解釋說, 在矽基電子學中, 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100°C的溫度. 在常規的CVD技術條件下, 石墨烯生長發生在1000°C附近, 並不適合直接整合到電子器件中.
這種新方法可以打破這種局限, 該團隊選用熔融鎵作為催化劑在稀釋甲烷氣氛的幫助下在藍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, 因為它是近來石墨烯生長方法中被證明有效的催化劑, 並且在合成石墨烯之後可以通過氣體射流容易地除去. 碳源是利用空氣與氮氣和氬氣混合物混合稀釋至5%的甲烷氣體.
石墨烯的表徵結果
研究人員使用拉曼光譜, 掃描電子顯微鏡和高解析度透射電子顯微鏡檢查了生長的石墨烯的質量. 表徵結果顯示, 新的CVD工藝能夠在近室溫(相對來說)下生長出高質量的石墨烯, 石墨烯分別在50℃和100℃的生長在了聚碳酸酯基板和藍寶石襯底上.
通過將碳附著到預生長的石墨烯晶核邊緣上可以實現低溫合成, 並且不會損壞基底或周圍組分. 預先存在的晶核本身是通過常規CVD工藝或通過使用混合物12C和13C在低溫下的特殊的核轉移技術製備的.
熔融鎵催化劑的存在促進了較低溫度下的甲烷吸收, 使得最終的反應勢壘很低, 低於300℃和0.16eV. 研究還發現鎵的熔融狀態足夠流動以促進碳原子的增加的轉運和生長.
研究發現與較低的反應勢壘和低溫核轉移過程相關的快速生長動力學促進石墨烯的生長降至低至50℃, 並且是競爭途徑的結果, 即甲烷先在鎵表面的分解;然後大量液體鎵吸附甲烷, 隨後甲烷再在鎵中沉積.
研究還發現這兩種途徑分別在高溫和低溫下有利, 並解釋了在該過程中存在弱溫度依賴性和低反應勢壘的原因. 甲烷吸收途徑也被認為是熔融鎵所獨特具有的特點, 因為當使用其它金屬時, 發現該方法是無效的, 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的重大進展, 研究人員首次將石墨烯直接生長到塑料基材上. 石墨烯領域的任何人都將了解低溫合成方法所具有的潛在影響, 並可用於未來將石墨烯整合到各種電子設備中.
