化學(xué)氣相沉積（CVD）可以大規(guī)模生長高質(zhì)量的石墨烯薄膜，并在石墨烯的工業(yè)生產(chǎn)中顯示出可觀的潛力。但是，CVD生長的石墨烯薄膜含有表面污染物，這將阻礙其潛在的應(yīng)用，例如，在電氣和光電設(shè)備以及基于石墨烯膜的應(yīng)用中。為了解決這個問題，我們展示了一種改良的氣相反應(yīng)，利用含金屬的分子醋酸銅（II），銅(OAc)₂作為碳源，實現(xiàn)了無污染石墨烯膜即超凈石墨烯的大規(guī)模生長。在高溫CVD期間，含Cu的碳源顯著增加了氣相中的Cu含量，此方法通過確保碳原料的充分分解而抑制了石墨烯表面上污染物的形成。所得到的表面清潔度約為99％的石墨烯顯示出增強的光學(xué)和電學(xué)性能。這項研究為改善石墨烯的表面清潔度質(zhì)量開辟了一條新途徑，并為通過氣相反應(yīng)方法得到的石墨烯生長的機理提供了新見解。

Figure 1. Cu(OAc)₂衍生的石墨烯的清潔度得到提高：（a）比較Cu(OAc)₂-和CH₄-衍生的石墨烯的清潔度；不透明石墨烯的（b）AFM和（c）TEM圖像；（c）的插圖：（c）中正方形區(qū)域的FFT模式；使用Cu(OAc)₂作為碳源獲得的干凈石墨烯的（d）AFM和（e）TEM圖像；（e）的插圖：相應(yīng)TEM圖像的FFT模式（頂部）和HRTEM圖像（底部）；（f）使用TiCl₄蒸發(fā)進行TiO₂可視化后，由Cu(OAc)₂（頂部）和CH₄（底部）生長的大面積石墨烯薄膜的照片；（g）清潔（紅色）和不清潔（藍色）石墨烯上TiO₂納米顆粒的密度；插圖：依次使用Cu(OAc)₂和CH₄生長石墨烯的SEM圖像。

Figure 2. Cu(OAc)₂對清潔度提高的理論研究：（a）在有（紅色）和沒有（藍色）Cu催化劑（蒸氣）的情況下，氣相中CH₄脫氫計算出的能壘；（b）氣相中Cu蒸氣在促進碳物質(zhì)分解和抑制無定形碳形成中的作用示意圖；（c,d）使用Cu(OAc)₂（紅色）和CH₄（藍色），石墨烯生長期間在邊界層中收集物質(zhì)的典型拉曼光譜（c）和（d）相應(yīng)的D峰映射。

Figure 3.（a）在聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）的幫助下，將干凈的石墨烯薄膜的AFM圖像轉(zhuǎn)印到SiO₂/Si基板上；（b）（a）中干凈的石墨烯薄膜（紅色）和片狀石墨烯（綠色）的高度直方圖；（c）以剝落的石墨烯（綠色）和PMMA膜（紫色）為參考，由Cu(OAc)₂（紅色）和CH₄（藍色）生長的轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的摩擦直方圖；（d）（c）中列出的四個樣品的摩擦比較；插圖：SiO₂/Si基底上不清潔石墨烯的原位高度和摩擦圖像。

Figure 4. Cu(OAc)₂生成的清潔石墨烯的光電性能：（a）將使用Cu(OAc)₂和CH₄作為碳原料獲得的大面積清潔（左）和不清潔（右）石墨烯薄膜分別轉(zhuǎn)移到石英基板上的照片；（b）由Cu(OAc)₂生長的單層、雙層和三層石墨烯薄膜的紫外可見光譜轉(zhuǎn)移到石英基板上；（c）在4英寸SiO₂/Si晶片上石墨烯器件圖形的照片；插圖：石墨烯器件的光學(xué)顯微鏡圖像；（d）由Cu(OAc)₂（紅色）和CH₄（藍色）生長的石墨烯薄層電阻的統(tǒng)計結(jié)果；插圖：干凈的石墨烯薄膜的薄層電阻圖。

相關(guān)研究成果于2019年由北京大學(xué)劉忠范課題組與彭海琳教授課題組合作，發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b02068）上。原文：Copper-Containing Carbon Feedstock for Growing Superclean Graphene。

本文來自石墨烯雜志，本文觀點不代表利特納米立場，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。