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          4. 我科學傢成功研制超平整石墨烯薄膜

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              近日  ,由南京大學物理學院高力波教授團隊領銜  ,協同學院四個青年學者團隊 ,以“質子輔助生長超平整石墨烯薄膜”為題  ,在《自然》雜志上發表瞭將質子輔助生長用於高質量石墨烯制備的研究成果 。這項工作 ,不僅探索出瞭一種可控生長超平整石墨烯薄膜的方法  ,更為重要的是  ,該團隊還發現瞭這種生長方法的內在機制 ,即質子輔助  ,這種方法有望推廣到柔性電子學、高頻晶體管等更多重要的研究領域 。

              據悉  ,該成果所涉及的化學氣相沉積方法(CVD)生長石墨烯  ,是目前制備大面積、高品質單晶晶粒或者薄膜的最主要方法  。然而 ,由於石墨烯與基質材料能夠產生強耦合作用  ,使得石墨烯在生長過程中會形成褶皺  。這一現象嚴重限制瞭大尺度均一薄膜的制備 ,阻礙著二維材料的進一步發展應用 。

              “CVD石墨烯中的褶皺是影響其物性的重要瓶頸 。”高力波告訴記者  ,CVD石墨烯中的褶皺 ,來源於石墨烯與生長基體的熱脹率差異  ,石墨烯生長於銅或者鉑等生長基體  ,生長溫度多在600度以上  ,生長完成後降至室溫便引起石墨烯的褶皺  。褶皺的存在  ,會影響石墨烯的優良特性 ,然而  ,究竟在多大程度上能夠影響其性能 ,並沒有完整的對比數據  。“如何徹底地消除褶皺 ,並制備出超平整的石墨烯薄膜  ,逐漸成為其品質跨越式提升的重點和難點  。”高力波說道  。

              研究團隊嘗試過多種消除褶皺的方法  ,但效果都不盡如人意  ,僅剩下減弱石墨午夜日本大膽裸藝術烯與生長基體之間耦合作用的唯一途徑 。在總結大量實驗的基礎上 ,高力波團隊發現  ,高比例的熱氫氣(H2) ,會在一定程度上  ,弱化石墨烯與生長基體之間的耦合作用  。同時  ,研究人員通過理論模擬發現狠狠色綜合圖片區  ,處在石墨烯與銅基體之間的氫 ,在大濃度、高溫的條件下  ,可以起到減弱二者耦合的作用  。在熱氫氣的組分中  ,質子和電子可以自由穿梭於石墨烯的蜂窩狀晶格  。因此  ,研究人員推測 ,質子在穿透石墨烯後 ,有一定概率會再次與電子組合成氫  。

              “課題組通過氫氣、氘氣(D2)、氦氣(He)等離子體的作用效果對比  ,驗證瞭所設想的模型 。”高力波介紹  ,增加質子密度  ,成為減弱二者耦合作用的關鍵途徑  。有鑒於此  ,研究團隊采用氫氣等離子體處理褶皺化的石墨烯薄膜  ,並輔以高溫 ,逐步減弱並消除石墨烯褶皺  。如果在生長石墨烯的同時 ,引入氫氣等離子體  ,則生長出來的石墨烯完全無褶皺 。

              為瞭五月桃花網全方位表征無褶皺化的石墨烯薄膜 ,通過多種物性測量 ,包括掃描隧道顯微鏡(STM)觀測摩爾條紋和掃描隧道譜(STS)、角分辨光電子能譜(ARPES)直觀觀測石墨烯與銅基體的耦合作用變化、變溫拉曼光譜表征熱漲率差異等  ,都表明瞭這種超平整的石墨烯薄膜  ,處於與生長基體脫耦合、無摻雜的狀態  。由於石墨烯薄膜的超平整特性  ,因此在清除石墨烯表面其他物質 ,尤其是石墨烯轉移過程中產生的轉移介質PMMA殘留時  ,表現出極易清潔的優點  。

              此外  ,為瞭凸顯超平整石墨烯薄膜的優點  ,即大尺寸和高品質  ,研究人員還進行瞭不同線寬下的石墨烯量子霍爾效應的測量  ,線寬分別為2μm、20μm、100μm、500μm  。此前  ,有礙於大尺寸石墨烯樣品的均勻性  ,石墨烯量子霍爾效應出現的最大線寬為50μm  ,而生長出來的超平整石墨烯薄膜  ,量子霍爾效應出現的閾值條件  ,和1μm線寬時測量的本征石墨烯幾乎相當  。更重要的是 ,對於不同線寬測量  ,他們的平臺出現閾值幾乎不變  。“這表明隻有消除褶皺 ,才能在最大程度上實現大尺寸石墨烯的均質化、高品質  。”高力波表示  ,質子輔助的CVD方法不僅能夠盡可能維持石墨烯的固有性質 ,還將對今後制備其他種類的納米材料具有普適性 。

              (本報記者 蘇雁 本報通訊員 吳煜昊)