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2020年1月20日
[本篇訪問: 4069]
《Nature》刊登南京大學物理學院團隊研究成果:質子輔助生長超平整石墨烯薄膜

北京時間2020年1月9日,正值南京大學黨代會召開之際,由南京大學物理學院高力波教授團隊領銜,協同學院四個青年學者團隊,以“質子輔助生長超平整石墨烯薄膜”(“Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films”)為題,在《自然》雜志上發表了論文(Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1870-3, 2020)。該成果不僅探索出了一種可控生長超平整石墨烯薄膜的方法,更為重要的是,發現了這種生長方法的內在機制,即質子輔助,該方法有望推廣到新材料、新能源應用等重要研究領域。

文章采用化學氣相沉積方法(CVD)生長石墨烯,日趨成為制備大面積、高品質單晶晶粒或者薄膜的最主要方法。然而,該方法發展迄今已逾十年,CVD方法生長的石墨烯,包括毫米尺寸單晶的石墨烯,它們的物理特性,尤其是大尺度的電學輸運特性,總是遜色于膠帶剝離法獲得的本征石墨烯片層。究其原因,CVD石墨烯中的褶皺是影響其物性的重要瓶頸。CVD石墨烯中的褶皺,來源于石墨烯與生長基體的熱漲率差異,石墨烯生長在銅或者鉑等生長基體上,生長溫度多在600度以上,生長完成后降至室溫變引起石墨烯的褶皺。褶皺的存在,會影響石墨烯的優良特性,然而,究竟在多大程度上能夠影響其性能,并沒有完整的對比數據。因此,如何徹底地消除褶皺,并制備出超平滑的石墨烯薄膜,逐漸成為其品質跨越式提升的重點和難點。

消除褶皺,在試過多種方法調控,但效果微弱后,僅剩下減弱石墨烯與生長基體之間耦合作用的唯一途徑。在總結大量實驗結果的基礎上,研究者發現,高比例的熱氫氣(H2),會在一定程度上,弱化石墨烯與生長基體之間的耦合作用。同時,研究人員通過理論模擬發現,處在石墨烯與銅基體之間的氫,在大濃度,同時處在高溫的條件下,可以起到減弱二者耦合的作用。在熱氫氣的組分中,質子和電子,可以自由穿梭于石墨烯的蜂窩狀晶格。因此,本工作中,研究人員推測了質子在穿透石墨烯后,有一定概率會再次與電子組合成氫。為此,課題組通過氫氣、氘氣(D2)、氦氣(He)等離子體的作用效果對比,驗證了所設想的模型。因此,唯有增加質子密度,則成為減弱二者耦合作用的關鍵途徑。有鑒于此,研究團隊采用氫氣等離子體處理褶皺化的石墨烯薄膜,并輔以高溫,可以逐步減弱并徹底消除石墨烯褶皺。如果在生長石墨烯的同時,引入氫氣等離子體,則生長出來的石墨烯則為完全無褶皺(圖1)。

欧美高清videosedexohd圖1. (a)質子滲透和氫去耦合模型;(b)普通CVD方法生長的有褶皺石墨烯;(c)氫氣等離子體處理過后的同位置褶皺變化;(d)質子輔助生長的超平滑石墨烯薄膜。

欧美高清videosedexohd為了全方位表征無褶皺化的石墨烯薄膜,通過多種物性測量,包括掃描隧道顯微鏡(STM)觀測摩爾條紋和掃描隧道譜(STS)、角分辨光電子能譜(ARPES)直觀觀測石墨烯與銅基體的耦合作用變化、變溫拉曼光譜表征熱漲率差異等,都表明了這種超平滑的石墨烯薄膜,處于與生長基體脫耦合、無摻雜的狀態。由于石墨烯薄膜的超平滑特性,因此在清除石墨烯表面其他物質,尤其是石墨烯轉移過程中的轉移介質PMMA殘留時,表現出極易清潔的優點。為了突顯超平滑石墨烯薄膜的優點,即大尺寸和高品質,研究人員進行了不同線寬下的石墨烯量子霍爾效應的測量,線寬分別為2 μm、20 μm、100 μm、500 μm。此前,有礙于大尺寸石墨烯樣品的均勻性,石墨烯量子霍爾效應出現的最大線寬為50 μm。而生長出來的超平整石墨烯薄膜,量子霍爾效應出現的閾值條件,和1 μm線寬時測量的本征石墨烯幾乎相當。更為重要的是,對于不同線寬測量,他們的平臺出現閾值幾乎不變(圖2)。這表明只有消除褶皺,才能在最大程度上實現了大尺寸石墨烯的均質化、高品質。

欧美高清videosedexohd圖2. (a)超平滑石墨烯的易清潔表面;(b)100 μm線寬下的石墨烯量子霍爾效應,出現的閾值與本征石墨烯相當。

據悉,以高力波教授為代表的參與該項工作的各團隊負責人均為近年來南京大學物理學院引進的青年學者。該項工作從提出構思到緊密協同完成歷時數年,青年學者們本著對科學的執著追求,不計得失、群策群力,在經歷了無數次失敗后才收獲了這一合作的果實。

南京大學物理學院17級博士生袁國文為論文的第一作者,高力波教授為通訊作者。南京大學物理學院奚嘯翔教授為該工作提供了變溫拉曼測量支持,孫建教授為該工作在理論上提供了氫原子的動力學模擬,張翼教授為該工作提供了ARPES測量,李紹春教授為該工作提供了STM和STS測量支持。高力波教授課題組中徐潔副研究員、研究生黃賢雷、鄭航、王狄對部分實驗提供了幫助,劉榮華教授在微納米加工方面給予了幫助。該工作得到了人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室、和南京大學超算中心的支持。(物理學院 吳煜昊 科技處)

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