高質(zhì)量二維原子晶石墨烯的制備及性能研究

　　高質(zhì)量二維原子晶體的可控制備是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的前提，目前是迫切需要優(yōu)先研究的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一?？煽刂苽涞淖罱K目的是獲得大面積、單層和單晶結(jié)構(gòu)的二維原子晶體。

　　在中國(guó)科學(xué)院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的大力支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)科研人員最近在石墨烯、氮化硼的可控制備和性能研究方面取得重要進(jìn)展，有關(guān)結(jié)果均發(fā)表在Adv. Mater.上。

　　介電層上直接生長(zhǎng)單晶石墨烯?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）因兼有高質(zhì)量和宏量的優(yōu)點(diǎn)已成為石墨烯制備的最重要的方法之一。但利用這種方法制備的石墨烯一般都需要轉(zhuǎn)移到其它介電層上，才能制備石墨烯器件和電路，轉(zhuǎn)移過(guò)程將帶來(lái)石墨烯破損、褶皺、污染以及材料浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，能否在介電層上直接生長(zhǎng)石墨烯就具有重要的科學(xué)意義和巨大的技術(shù)需求。它與目前硅電子學(xué)的加工工藝兼容，石墨烯不需要轉(zhuǎn)移，可以直接用于器件的制備和組裝。

　　在前期工作中，研究人員發(fā)明了氧輔助法，在二氧化硅絕緣材料上直接制備了石墨烯薄膜（J. Am. Chem. Soc. 2011， 133， 17548）。隨后他們又發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩段化學(xué)氣相沉積方法，控制石墨烯的成核點(diǎn)和晶區(qū)尺寸，實(shí)現(xiàn)了在氮化硅表面上的直接生長(zhǎng)。制備的石墨烯薄膜中石墨烯疇晶的尺寸達(dá)1μm，遷移率在空氣中可以達(dá)到1510 cm2 V-1s-1（Adv. Mater.， 2013， 25，992）。但上述兩種方法制備的石墨烯薄膜均為多晶結(jié)構(gòu)。本工作中他們開(kāi)發(fā)了小氣流、長(zhǎng)時(shí)間、在接近平衡態(tài)條件下的沉積方法，在多種絕緣基底上實(shí)現(xiàn)了微米尺度石墨烯單晶的非金屬催化生長(zhǎng)和可控制備。最大石墨烯單晶尺寸達(dá)11微米，是文獻(xiàn)中報(bào)道的在氮化硼基底生長(zhǎng)的石墨烯單晶尺寸的30倍。這種石墨烯單晶具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，并且表面干凈、無(wú)褶皺、無(wú)破損。由它制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的遷移率超過(guò)5000 cm2 V-1s-1。該研究成功地實(shí)踐了中華名言“慢工出細(xì)活”，即在小氣流、接近平衡態(tài)的條件下，由甲烷分解的碳原子有充足的時(shí)間重新自組裝成單晶石墨烯。