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- 发布时间2017-10-19 18:28
- 发布人 集团
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化学气相沉积（CVD）是生产石墨烯最常见的方法，在世界各地都有多种方法。但是目前的工艺需要1000℃以上的高温，成本较高，过程复杂。来自日本的一组研究人员利用稀释的甲烷蒸气源和熔融镓催化剂，在温度低至50℃的情况下，创造了一种新的CVD方法来生长石墨烯。
近日，《科学报告》（Scientific Reports）发表了日本和台湾的研究团队创建了一种新的CVD方法，使用稀甲烷蒸气源和熔融镓催化剂在低至50°C的温度下生长石墨烯。该论文题为“Near room temperature chemical vapor deposition of graphene with diluted methane and molten gallium catalyst”。
众所周知，CVD法是目前制备高质量单层大面积石墨烯薄膜最有效的方法，但是目前的工艺需要1000℃以上的高温，成本较高，过程复杂。近日，来自日本和台湾的研究人员团队创建了一种新的CVD方法，使用稀甲烷蒸气源和熔融镓催化剂在低至50°C的温度下生长石墨烯。
该团队解释说，在硅基电子器件中，器件能够经受石墨烯集成的最高温度阈值约为400°C。塑料半导体器件在石墨烯生长过程中只能承受高达100°C的阈值甚至更低。在传统条件下，石墨烯生长在1000°C左右，不适合直接集成到这种电子器件中。
碳源的分解和石墨烯的生长过程
这种新方法可以打破这种局限，该团队选用熔融镓作为催化剂在稀释甲烷气氛的帮助下在蓝宝石和聚碳酸酯基板上生长CVD石墨烯，所需温度可以降低到50℃左右。选择镓催化剂，因为它是近来石墨烯生长方法中被验证的催化剂，并且在合成石墨烯之后可以通过气体射流容易地除去，通过将大气气体与氮气和氩气混合物混合将甲烷稀释至5％。
石墨烯的表征结果
研究人员使用拉曼光谱、扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜检查了生长的石墨烯的质量。新的CVD工艺能够在近室温（相对来说）下创造出高质量的石墨烯，石墨烯在50℃和100℃的聚碳酸酯基板上生长到蓝宝石衬底上。通过将碳附着到预生长的石墨烯核岛的岛边缘上可以实现低温合成，并且不会损坏基底或周围组分。预先存在的核岛本身通过常规CVD工艺或通过特殊的核转移技术在低温下使用12 C和13 C 的混合物生产。
熔融镓催化剂的存在增强了较低温度下的甲烷吸收，还发现镓的熔融状态足够流动以促进碳原子的增加的转运和生长。甲烷吸收途径也被认为是熔融镓独特的，因为当使用其它金属时，发现该方法是无效的，包括普通的石墨烯催化剂如铜和镍。
该研究是低温石墨烯合成技术的重大进展，研究人员首次将石墨烯直接生长到塑料基材上。石墨烯领域的任何人都将理解低温合成方法所具有的潜在意义，并可用于将来把石墨烯集成到各种电子器件中。相关论文全文发表在 Scientific Reports 7, Article number: 12371(2017)（DOI: 10.1038/s41598-017-12380-w）上。
来源：AZoNano、石墨烯资讯
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