中科院批量制备高质量石墨烯研究获突破

7月20日从中科院获悉，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员刘立伟课题组和苏州格瑞丰纳米科技有限公司合作，首先对铜衬底进行晶向调控，揭示了氧化层对铜衬底晶向的调控作用和机制。研究发现铜表面氧化层有利于Cu(001)晶向的形成，而用氢气去除铜表面氧化层后，铜衬底则迅速转变为Cu(111)晶向，并利用密度泛函理论计算揭示了氧对铜衬底晶向转变影响的机制。该工作揭示了氧气和氢气在铜衬底晶向转变中的作用，同时也有利于单晶化衬底实现高质量石墨烯的可控制备。相关结果已经发表于《科学报告》。

基于上述研究成果，该团队提出了通过构建一个基于分子热运动的静态常压CVD(SAPCVD)系统，实现了快速批量制备高质量石墨烯。实验结果证明SAPCVD系统能够同时在20层铜衬底上批量化制备光学均匀的石墨烯，其生长速率达到1.5?m/s。通过调控石墨烯和铜衬底的晶格失匹配，石墨烯的晶界密度得到有效抑制，石墨烯的室温场效应迁移率达到6944cm2V-1s-1，方块电阻500?/□(图3)。

相比于传统低压流动CVD(LPCVD)或者常压流动CVD(APCVD)系统，SAPCVD系统制备石墨烯的优点主要体现在3点：首先，石墨烯生长气氛均匀且不受流阻的影响，有利于大批量制备石墨烯；其次，碳源浓度可以在1500%的大窗口下实现均匀单层石墨烯，更容易获得光学均匀的石墨烯薄膜；最后，碳源可以在CVD生长室内充分地分解，并且可以有效降低石墨烯制备过程中对真空设备的依赖，降低了石墨烯的制备成本。该工作提出通过静态常压CVD技术和Cu(111)单晶叠层衬底技术实现快速批量制备高质量石墨烯，加速了石墨烯在柔性电子器件中的应用。这一科研成果最近发表在Small上。

该系列工作得到国家自然科学基金、江苏自然科学基金的大力支持。