在金屬基底上含碳前驅(qū)體的化學(xué)氣相沉積是目前大規(guī)模合成大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜最有前景的方法。然而，所得到的薄膜中通常存在一些缺陷：晶界、有附加層的區(qū)域(附著層)以及褶皺或折疊，所有這些都會降低石墨烯在各種應(yīng)用中的性能。關(guān)于消除晶界和附著層的方法已有許多研究，但對石墨烯褶皺的研究較少。在這里，我們研究了由乙烯前體在單晶Cu-Ni(111)薄片上生長的石墨烯薄膜的褶皺/折疊過程。我們確定了一個臨界生長溫度(1030 K)，超過這個溫度，在隨后的冷卻過程中將自然形成褶皺。具體而言，在冷卻過程中由于熱收縮而積累的壓應(yīng)力通過在溫度約1030 K時箔片中突然開始的階躍聚束而釋放，從而觸發(fā)垂直于階躍邊緣方向的石墨烯褶皺的形成。通過將初始生長溫度限制在1000 K至1030 K之間，我們可以生產(chǎn)出高質(zhì)量且無褶皺的大面積單晶單層石墨烯薄膜。得到的薄膜表現(xiàn)出高度均勻的傳輸特性：由這些薄膜制備的場效應(yīng)晶體管顯示出空穴和電子在平均室溫時載流子遷移率約為(7.0±1.0)×10
3平方厘米每伏特每秒。該過程也是可擴(kuò)展的，允許在平行堆疊的多個薄片上同時生長相同質(zhì)量的石墨烯。在將石墨烯薄膜從薄片上電化學(xué)轉(zhuǎn)移后，薄片本身基本上可以無限地重復(fù)使用，以進(jìn)一步生成石墨烯。
圖1. 通過循環(huán)實驗研究石墨烯褶皺形成的機(jī)理。a–c,在不同的中間溫度循環(huán)實驗后Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM圖像：(a)920 K、(b)1020 K和(c)1120 K。d, 1320 K時石墨烯生長后立即冷卻至1020 K并穩(wěn)定10分鐘，Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM圖像，但沒有重新加熱至生長溫度以進(jìn)行再生。右上角區(qū)域顯示殘余褶皺放大的SEM圖像。比例尺，1μm。e,褶皺的可能機(jī)制示意圖。
圖2. 褶皺演化是生長溫度的函數(shù)。a–c,在鎳含量為20.0 %的Cu–Ni (111)合金箔上不同溫度下生長的無附加層石墨烯的SEM圖像: (a)1320 K、(b)1170 K和(c)1030 K。d–f,對應(yīng)石墨烯薄膜的AFM高度圖像。右上角區(qū)域顯示了圖d–f中標(biāo)記的區(qū)域從−10.0°至10°的有關(guān)AFM的相位圖像。g, 在不同溫度下Cu–Ni(111)合金箔上生長的石墨烯薄膜獲得的G-帶與2D-帶頻率曲線圖。藍(lán)點標(biāo)記為0.0%(頻率ω
G在1582 cm
-1，ω
2D在2692 cm
-1)是文獻(xiàn)中報告的無應(yīng)變和無摻雜SLG的值。斜率為2.7的虛線表示雙軸應(yīng)變ε下的電中性石墨烯，?ω
G/?ε=−56 cm
-1/%應(yīng)變， ?ω
2D/?ε=−155 cm
-1/%應(yīng)變。
圖3. 無褶皺石墨烯薄膜的特性。a, b,在Cu–Ni(111)合金箔上生長的無褶皺無疊層石墨烯薄膜然后轉(zhuǎn)移到300 nm厚的SiO
2-on-Si晶片上的(a)光學(xué)圖像和(b)I
D/I
G強(qiáng)度比的拉曼圖。c,拉曼光譜圖取自b中標(biāo)記為1–6的點。d, SLG無褶皺薄膜的原子分辨率TEM圖像。e,Cu–Ni(111)箔上無褶皺石墨烯薄膜的LEED圖（光束尺寸為1.8mm）。f, 200 SAED的方向分布直方圖。g,一個6英寸（15 cm）石英管CVD爐膛，用于評估單晶Cu–Ni(111)合金箔上單晶無褶皺石墨烯薄膜的規(guī)模生產(chǎn)。h,將五片4cm×7cm Cu–Ni(111)合金箔懸掛在石英支架上。i,在g圖中6英寸CVD系統(tǒng)里生長然后轉(zhuǎn)移到4英寸（10 cm）SiO
2-on-Si晶片上（薄膜為較暗的矩形）的4cm×7cm無褶皺單晶石墨烯薄膜的照片。
圖4. 無褶皺石墨烯薄膜的傳輸特性。a–c,典型I
DS與V
G-V
Dirac用GFETs從三個不同角度測量的傳輸特性，(a)−120°、(b)0°和(c)120°，在隨機(jī)方向上選擇0°。右側(cè)插圖顯示了R
tot與V
G-V
Dirac的結(jié)果，藍(lán)線和紅線分別為電壓在−2.0到0.0 V范圍內(nèi)和0.0到2.0V范圍內(nèi)，使用已報導(dǎo)的遷移率擬合模型的擬合。頂部圖像是GFET設(shè)備的照片。d, 從GFETs中導(dǎo)出遷移率平均值，每種情況下從10個設(shè)備中取平均值。
相關(guān)研究成果由韓國蔚山基礎(chǔ)科學(xué)研究所多維碳材料中心Meihui Wang等人于2021年發(fā)表在Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-021-03753-3)上。原文：Single-crystal, large-area, fold-free monolayer graphene。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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