新突破：現在能讓石墨烯，變成單層單晶！

科學家們研究了一個真正的單層，即大面積石墨烯薄膜覆蓋在大面積銅箔上。改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法，消除了石墨烯生長在銅箔上的所有碳雜質。這種均勻「完美」的單層單晶石墨烯有望被用作超高解析度透射電鏡成像和光學設備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯，以實現非常均勻的功能化，這將促使推動許多其他應用，特別是用於各種類型的感測器。

來自Ulsan國家科學技術研究所(UNIST)基礎科學研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)的Rodney Ruoff主任，領導的這個研究小組。這似乎是一系列關於單層石墨烯類似中最新的一個。然而，這一成果與之前數千篇論文的不同之處在於，它們都沒有真正描述大面積的單層石墨烯，Adlayers(雙層或多層區域)一直存在。IBS的科學家們改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法，消除了石墨烯生長在銅箔上的所有碳雜質。

金屬箔(尤其是銅箔)上的化學氣相沉積(CVD)是目前製備大面積高質量石墨烯薄膜最具發展前景的方法。研究小組研究了生長在銅箔上的石墨烯薄膜中為什麼會出現「adlayers」，發現薄膜中的碳雜質直接導致adlayers的成核和生長。通過使用飛行時間二次離子質譜和燃燒分析，發現商業銅箔有『過量的碳』，尤其是在表面附近，深度約為300納米。通過與世界上最大的銅箔供應商之一，江西銅業有限公司的一位技術專家討論，研究人員了解到：

在生產過程中，碳嵌在銅箔中，可能來自用於潤滑銅箔在高溫軋制時接觸的軋輥碳氫基油。在H2溫度為1060℃的條件下完全去除碳後，能夠實現無adlayfree，從而實現真正的單層石墨烯薄膜。通過同樣的方法，IBS的科學家們還在單晶銅箔上獲得了無adlayer單層和單晶石墨烯薄膜。該研究的第一作者之一王美輝（音譯）解釋說：我們這樣就解決了之前CVD石墨烯薄膜(adlayers and grain boundaries, GBs)同時合成中一直存在的兩個問題。的確，在大面積(例如單層或雙層)上實現層數的完美均勻性，可以用來確保設備性能的一致性。

Adlayer區域的區別在於，當存在於器件的活動區域時，Adlayer區域的密度和尺寸也不同。除了adlayers, GBs還存在於CVD製備的多晶石墨烯薄膜中，不同晶體取向的石墨烯島連接在一起形成薄膜。GBs的存在降低了載流子的遷移率和導熱率，降低了機械強度。儘管如此，科學家們在單晶薄膜上留下了一個迷人的特徵：這種單晶石墨烯包含高度定向的平行「褶皺」，長度為厘米，寬度約為100納米，間隔20至50微米。與adlayers和GBs一樣，褶皺可以顯著降低石墨烯的載流子遷移率。

為了消除adlayers, GBs和褶皺的這種散射效應，研究小組在兩個相鄰褶皺之間的區域，以及平行於褶皺的晶體管上繪製了場效應晶體管的圖形。與多晶石墨烯薄膜中呈准隨機分布的褶皺不同，褶皺在大面積單晶石墨烯薄膜中高度排列。這使得很容易從褶皺之間的區域製造集成高性能器件。兩個相鄰褶皺之間的區域是『乾淨的』，沒有任何褶皺、adlayers或GBs，這使得該器件具有很高的電子遷移率和空穴遷移率。

場效應晶體管顯示出非常高的室溫載流子遷移率值約為1.0 x 104 cm2V-1s-1。如此高的載流子移動性「轉化」為具有高性能的各種有用設備。開發大面積無adlayer單晶石墨烯的方法是一個突破。這種均勻、「完美」的單層單晶石墨烯，有望被用作超高解析度透射電鏡成像和光學設備的超薄支撐材料。也可作為一種合適的石墨烯，以實現非常均勻的功能化。本研究由基礎科學研究所資助，其研究成果發表在《先進材料》上。

博科園｜研究/來自：基礎科學研究所

參考期刊《先進材料》

DOI: 10.1002/adma201903615

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