北京大学刘忠范课题组与彭海琳教授课题组合作–含铜碳原料用于生长超洁净石墨烯

化学气相沉积（CVD）可以大规模生长高质量的石墨烯薄膜，并在石墨烯的工业生产中显示出可观的潜力。但是，CVD生长的石墨烯薄膜含有表面污染物，这将阻碍其潜在的应用，例如，在电气和光电设备以及基于石墨烯膜的应用中。为了解决这个问题，我们展示了一种改良的气相反应，利用含金属的分子醋酸铜（II），铜(OAc)₂作为碳源，实现了无污染石墨烯膜即超净石墨烯的大规模生长。在高温CVD期间，含Cu的碳源显著增加了气相中的Cu含量，此方法通过确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。所得到的表面清洁度约为99％的石墨烯显示出增强的光学和电学性能。这项研究为改善石墨烯的表面清洁度质量开辟了一条新途径，并为通过气相反应方法得到的石墨烯生长的机理提供了新见解。

Figure 1. Cu(OAc)₂衍生的石墨烯的清洁度得到提高：（a）比较Cu(OAc)₂-和CH₄-衍生的石墨烯的清洁度；不透明石墨烯的（b）AFM和（c）TEM图像；（c）的插图：（c）中正方形区域的FFT模式；使用Cu(OAc)₂作为碳源获得的干净石墨烯的（d）AFM和（e）TEM图像；（e）的插图：相应TEM图像的FFT模式（顶部）和HRTEM图像（底部）；（f）使用TiCl₄蒸发进行TiO₂可视化后，由Cu(OAc)₂（顶部）和CH₄（底部）生长的大面积石墨烯薄膜的照片；（g）清洁（红色）和不清洁（蓝色）石墨烯上TiO₂纳米颗粒的密度；插图：依次使用Cu(OAc)₂和CH₄生长石墨烯的SEM图像。

Figure 2. Cu(OAc)₂对清洁度提高的理论研究：（a）在有（红色）和没有（蓝色）Cu催化剂（蒸气）的情况下，气相中CH₄脱氢计算出的能垒；（b）气相中Cu蒸气在促进碳物质分解和抑制无定形碳形成中的作用示意图；（c,d）使用Cu(OAc)₂（红色）和CH₄（蓝色），石墨烯生长期间在边界层中收集物质的典型拉曼光谱（c）和（d）相应的D峰映射。

Figure 3.（a）在聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）的帮助下，将干净的石墨烯薄膜的AFM图像转印到SiO₂/Si基板上；（b）（a）中干净的石墨烯薄膜（红色）和片状石墨烯（绿色）的高度直方图；（c）以剥落的石墨烯（绿色）和PMMA膜（紫色）为参考，由Cu(OAc)₂（红色）和CH₄（蓝色）生长的转移石墨烯薄膜的摩擦直方图；（d）（c）中列出的四个样品的摩擦比较；插图：SiO₂/Si基底上不清洁石墨烯的原位高度和摩擦图像。

Figure 4. Cu(OAc)₂生成的清洁石墨烯的光电性能：（a）将使用Cu(OAc)₂和CH₄作为碳原料获得的大面积清洁（左）和不清洁（右）石墨烯薄膜分别转移到石英基板上的照片；（b）由Cu(OAc)₂生长的单层、双层和三层石墨烯薄膜的紫外可见光谱转移到石英基板上；（c）在4英寸SiO₂/Si晶片上石墨烯器件图形的照片；插图：石墨烯器件的光学显微镜图像；（d）由Cu(OAc)₂（红色）和CH₄（蓝色）生长的石墨烯薄层电阻的统计结果；插图：干净的石墨烯薄膜的薄层电阻图。

相关研究成果于2019年由北京大学刘忠范课题组与彭海琳教授课题组合作，发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b02068）上。原文：Copper-Containing Carbon Feedstock for Growing Superclean Graphene。

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