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- 發(fā)布時間2017-10-19 18:28
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化學(xué)氣相沉積（CVD）是生產(chǎn)石墨烯最常見的方法，在世界各地都有多種方法。但是目前的工藝需要1000℃以上的高溫，成本較高，過程復(fù)雜。來自日本的一組研究人員利用稀釋的甲烷蒸氣源和熔融鎵催化劑，在溫度低至50℃的情況下，創(chuàng)造了一種新的CVD方法來生長石墨烯。
近日，《科學(xué)報告》（Scientific Reports）發(fā)表了日本和臺灣的研究團隊創(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。該論文題為“Near room temperature chemical vapor deposition of graphene with diluted methane and molten gallium catalyst”。
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，來自日本和臺灣的研究人員團隊創(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。
該團隊解釋說，在硅基電子器件中，器件能夠經(jīng)受石墨烯集成的最高溫度閾值約為400°C。塑料半導(dǎo)體器件在石墨烯生長過程中只能承受高達100°C的閾值甚至更低。在傳統(tǒng)條件下，石墨烯生長在1000°C左右，不適合直接集成到這種電子器件中。
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，該團隊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。選擇鎵催化劑，因為它是近來石墨烯生長方法中被驗證的催化劑，并且在合成石墨烯之后可以通過氣體射流容易地除去，通過將大氣氣體與氮氣和氬氣混合物混合將甲烷稀釋至5％。
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。新的CVD工藝能夠在近室溫（相對來說）下創(chuàng)造出高質(zhì)量的石墨烯，石墨烯在50℃和100℃的聚碳酸酯基板上生長到藍(lán)寶石襯底上。通過將碳附著到預(yù)生長的石墨烯核島的島邊緣上可以實現(xiàn)低溫合成，并且不會損壞基底或周圍組分。預(yù)先存在的核島本身通過常規(guī)CVD工藝或通過特殊的核轉(zhuǎn)移技術(shù)在低溫下使用12 C和13 C 的混合物生產(chǎn)。
熔融鎵催化劑的存在增強了較低溫度下的甲烷吸收，還發(fā)現(xiàn)鎵的熔融狀態(tài)足夠流動以促進碳原子的增加的轉(zhuǎn)運和生長。甲烷吸收途徑也被認(rèn)為是熔融鎵獨特的，因為當(dāng)使用其它金屬時，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)域的任何人都將理解低溫合成方法所具有的潛在意義，并可用于將來把石墨烯集成到各種電子器件中。相關(guān)論文全文發(fā)表在 Scientific Reports 7, Article number: 12371(2017)（DOI: 10.1038/s41598-017-12380-w）上。
來源：AZoNano、石墨烯資訊
