大尺寸单晶石墨烯及其薄膜制备和无损转移取得重要进展

金属所大尺寸单晶石墨烯的化学气相沉积法制备及其无损转移取得重要进展

　　最近，中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部的成会明、任文才研究员带领的石墨烯研究团队，在大尺寸单晶石墨烯及其薄膜的制备和无损转移方面取得重要进展。相关论文于2月28日在《自然—通讯》上在线发表（Nature Communications, 2012, DOI: 10.1038/ncomms1702）。

　　作为单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状结构，石墨烯具有极高的载流子迁移率、高透光性、高强度等众多优异的物理化学性质，在电子学、自旋电子学、光电子学、太阳能电池、传感器等领域有着重要的潜在应用。目前制备高质量石墨烯的方法主要有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。前两种方法效率低，不适于大量制备，而迄今由CVD法制备的石墨烯一般是由纳米级到微米级尺寸的石墨烯晶畴拼接而成的多晶材料。石墨烯中晶界的存在会严重降低其质量和性能，因此大尺寸单晶石墨烯的制备对于石墨烯基本物理性质的研究及其在电子学等方面的应用具有极其重要的意义。此外，对于在金属基体上生长的石墨烯，生长后能否高质量地将石墨烯从金属基体转移到其它基体上是实现其在不同领域应用的前提。但现有转移方法大多是将金属基体腐蚀掉，不仅会造成石墨烯结构的破坏、基体金属的残存和环境污染，而且会显著增加石墨烯的制备成本，尤其不适合化学稳定性强的贵金属上石墨烯的转移。

　　金属所科研人员在前期常压CVD方法生长石墨烯的基础上，提出采用贵金属铂作为生长基体，实现了毫米级尺寸六边形单晶石墨烯的制备（图1），并制备出由毫米级单晶石墨烯构成的石墨烯薄膜。研究发现，多晶铂和单晶铂上石墨烯的生长行为相似，铂对甲烷和氢气较强的催化裂解能力以及反应中低浓度甲烷和高浓度氢气的使用是实现石墨烯低成核密度并最终制备出大尺寸单晶石墨烯的关键。由于石墨烯与铂基体热膨胀系数差别小，所得石墨烯上褶皱的平均高度仅为0.8纳米，远小于铜、镍基体上生长的石墨烯的褶皱。他们与中科院大连化学物理研究所包信和研究团队合作，利用选区低能电子衍射和低能电子显微镜对单个石墨烯岛进行了表征，发现具有规则六边形结构的石墨烯岛均为单晶，而边界处有凹角存在的石墨烯岛多为多晶结构。

　　与此同时，他们还发明了一种基于电化学气体插层的鼓泡无损转移方法，可将铂上生长的石墨烯转移到任意基体上（图2）。与现有基于基体腐蚀的传统转移方法不同，该转移方法对石墨烯及铂基体均无破坏和损耗，铂基体可无限次重复使用。转移后的石墨烯完整保留了其原有的结构和质量，无金属杂质残留（图3）。该鼓泡转移方法操作简便、速度快、无污染，并且适于钌、铱等贵金属以及铜、镍等常用金属上生长的石墨烯的转移，金属基体可重复使用，可作为一种低成本、快速转移高质量石墨烯的普适方法。拉曼光谱研究表明，该方法转移的单晶石墨烯具有很高的质量（图4）。他们还与北京大学电子系的彭练矛研究团队合作，将转移到Si/SiO2基体上的单晶石墨烯制成场效应晶体管，测量出该单晶石墨烯室温下的载流子迁移率可达7100cm2V-1s-1（图4），并有望通过使用氮化硼基体得到进一步提高。

　　金属基体上大尺寸单晶石墨烯及其薄膜的多次重复生长，为石墨烯基本物性的研究及其在高性能纳电子器件、透明导电薄膜等领域的实际应用奠定了材料基础。

　　该成果得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院等的资助，已申请中国发明ZL2项。

　　

　　图1 多晶铂上生长的毫米级单晶石墨烯及由其构成的连续薄膜

　　

　　图2 基于电化学气体插层的鼓泡无损转移方法

　　

　　图3 多晶铂上生长及转移到Si/SiO2基体上的六边形单晶石墨烯

　　

　　图4 六边形单晶石墨烯的拉曼光谱及其电输运特性