近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系、硅材料國家重點實驗室陳紅征教授團隊的徐明生教授小組在石墨烯化學(xué)氣相沉積(CVD)生長方面有新的發(fā)現(xiàn)，相關(guān)工作"Graphene Nucleation Preferentially at Oxygen-Rich Cu Sites Rather Than on Pure Cu Surface"發(fā)表在《Advanced Materials》上。
自2004年揭示石墨烯的優(yōu)異性能及潛在的應(yīng)用后，石墨烯受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注；石墨烯薄膜在柔性透明導(dǎo)電膜等領(lǐng)域市場化應(yīng)用的前提是高質(zhì)量石墨烯薄膜的規(guī)；煽刂苽浼夹g(shù)，而可控制備技術(shù)的建立需要對石墨烯成核和成長有深刻理解。在石墨烯薄膜的CVD制備方法中，考慮到碳原子在銅中的溶解度比其它具有催化性能的金屬如鎳較低，銅基底被廣泛用于CVD方法制備石墨烯薄膜。然而，國際上各實驗室制備的石墨烯薄膜的性能差別很大、重復(fù)性很低；該團對意識到石墨烯薄膜在銅基底上的成核和成長機制可能并不清楚，控制石墨烯成核和成長的關(guān)鍵因素依然沒有被發(fā)現(xiàn)。一個簡單但被忽略的問題：如果催化性金屬如銅基底中存在雜質(zhì)，石墨烯是否真如研究者通常認為的在純銅位置上成核和成長嗎？
俄歇電子能譜具有很高的分辨率，可以同時測試樣品的表面形貌和化學(xué)組份元素分布。在前期研發(fā)的基礎(chǔ)上，徐明生博士研究組采用掃描俄歇電子能譜對石墨烯的成核位點進行了元素分布研究。他們發(fā)現(xiàn)：在石墨烯晶核和晶粒處，氧的含量要比在沒有石墨烯的銅基底高很多。為了揭示氧存在的位置，他們對石墨烯/銅樣品進行了元素垂直分布表征，研究發(fā)現(xiàn)氧存在于石墨烯的下方，是在石墨烯制備過程中從銅箔體內(nèi)偏析出來的。密度泛函理論的計算證明表面富氧的銅基底對碳原子的吸附力比純銅基底更強。他們的研究結(jié)果表明：石墨烯是在富氧的銅表面而非通常認為的純銅表面成核和成長。這一發(fā)現(xiàn)揭示了石墨烯如何在銅基底上成核，氧對于控制石墨烯成核位點的重要性，為石墨烯薄膜的規(guī)；煽兀▓D案化）生長提供了新的思路和途徑。
圖1：石墨烯優(yōu)先在富氧的銅表面成核。
上述工作的石墨烯薄膜是該團隊利用其自行研制的石墨烯薄膜制備的專業(yè)設(shè)備制備；俄歇電子能譜測試得到日本國家材料科學(xué)研究所（National Institute for Materials Science (NIMS)）的Daisuke Fujita博士和Hideo Iwai博士的支持，是該團隊在NIMS完成；密度泛函理論的計算由浙江大學(xué)化學(xué)系劉迎春副教授團隊完成。本研究得到科技部國家國際科技合作專項、浙江省科技廳、浙江省自然科學(xué)基金、教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。本工作的相關(guān)內(nèi)容已申請國家發(fā)明專利。
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