Carbon:水辅助法在SiO2 - Si衬底上快速生长单层石墨烯薄膜

时间:2019-08-16 来源:www.b2bseal.com

?

通过化学气相沉积(CVD)在电介质基板上生长的高质量单层石墨烯膜对于高性能石墨烯基电子和光电器件的开发具有重要意义。然而,由于介电基板的催化活性低(基本上可忽略不计),现有CVD工艺的结构均匀性(生长质量)差,并且生长速度慢。

最近,中国科学院金属研究所研究员任文才报道了一种水辅助CVD工艺,可以在不使用金属催化剂的情况下,在SiO2/Si衬底上快速生长单层石墨烯。需要超高温。电影。即使仅存在微量的水,也可以形成优异的石墨烯单层膜,其中结构缺陷显着减少。相关研究结果发表在《Carbon》标题为“水辅助快速生长单层石墨烯薄膜在SiO2/Si衬底上”。

%5C

具体实验过程

将SiO2/Si(SiO2厚度290nm)基板依次用丙酮和异丙醇洗涤1小时,然后置于水平熔融石英管(内径22mm)中,在Ar中退火10分钟以除去残留的有机物。然后将CH4/H2的气体混合物以17.5/75sccm的流速引入石英管中以生长石墨烯。通过使用0至20sccm的Ar气流将水蒸气注入管中以帮助石墨烯的生长。生长后,关闭CH4/H2气流(和用于水辅助生长的Ar气流),并将样品在Ar中快速冷却至室温。

%5C

通过水辅助CVD在SiO2/Si衬底上生长石墨烯的示意图。通过使用氩气流将水蒸气注入石英管中。使用水浴将水源的温度保持在25℃。

水可以同时增加石墨烯薄膜的结构均匀性和生长速率,这可能是由于其温和的氧化和从SiO 2/Si衬底的加速氧释放,以及单层石墨烯通过降低生长动力学屏障的快速生长。这项工作为高质量石墨烯在电介质基板上的有效控制CVD生长提供了有利的基础。

任文才,中国科学院金属研究所研究员,国家杰出青年科学基金获得者。从事石墨烯研究,石墨烯生长控制机制,大尺寸单晶石墨烯和高导电石墨烯三维网状结构材料,大规模石墨烯材料规模制备,以及石墨烯材料光电,储能等一系列创新已在应用程序中实现。在《Nature?Materials》等期刊上发表SCI论文68篇,SCI引用3688篇,申请国家发明专利24项,授权8项,实施1项。自然界选择两项成果作为“研究亮点”,其中一项成果被选为“2011年中国科学十大进步”。

开展研究项目:

提出并选择了具有独特结构的基质,并通过CVD方法制备了具有三维互连网络结构的石墨烯材料(图1,Nature Mater,2011),其扩展了石墨烯的应用空间并且被命名为2011年中国科学十大进步';重复制备和无损转移毫米质量的高质量单晶石墨烯(图2,Nature Commun,2012)。已经开发出一种以低成本制备高质量石墨烯的新方法,并且已经在企业中完成了试验测试并且已经确定了结果。

它揭示了石墨烯的场发射特性(Adv Mater,2009)和石墨烯与氧化物的协同储能效应(ACS Nano& AFM,2010等),开辟了在柔性储能装置中的应用;烯基弹性导体,高灵敏度传感器,高效热管理材料,轻质电磁屏蔽材料和高速柔性锂离子电池(PNAS& Adv Mater,2012等)。

采用浮动催化剂CVD法开发了双壁碳纳米管(CPL,2002),揭示了其结构特征,拉曼光谱和CVD生长机理。提出非金属催化剂可用于有效制备单壁碳纳米管及其气固 - 固 - 固生长机理,这为制备碳纳米管开辟了另一种新方法(JACS,2009& 2011)。 中国科学院金属研究所人才研究数据库)

%5C

图1.具有三维互连网络结构的石墨烯泡沫(a),(b)和由具有硅橡胶的复合材料制成的弹性导体(c)。

%5C

图2.(a),(b),(c)是在贵金属基底上生长的毫米级石墨烯单晶; (b'),(c')分别转移到Si/SiO2基质(b),(c)中的石墨烯单晶。

DOI: 10.1016/j.carbon.2019.03.083。