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北大劉忠范和彭海琳團隊在超潔凈石墨烯制備方向取得系列新進展

2019-09-25 11:53:29 作者：本網整理來源：材料人分享至：

【背景介紹】

石墨烯因其優異的性質而被譽為“材料之王”，在諸多領域有著廣闊的應用前景，但距離真正實現產業化還存在諸多問題和挑戰。制備決定未來，高品質石墨烯薄膜的可控制備一直是學術界和業界關注的重點。化學氣相沉積法（CVD）以其優良的可控性和可放大性被公認為最具前景的石墨烯薄膜制備方法，經過近十年的發展，雖然在單晶尺寸上取得了諸多突破性進展，但CVD石墨烯的性能和理想水平仍然有不小的差距，這一問題已經困擾石墨烯領域很久。

【成果簡介】

近期，劉忠范課題組與彭海琳教授課題組合作，首次揭示了CVD石墨烯的本征污染問題，提出氣相反應調控的方法，分別使用泡沫銅輔助催化和含銅碳源實現了超潔凈石墨烯的制備（Nature Commun. 2019, 10, 1912；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7670）。

對于已存在本征污染的石墨烯薄膜，他們巧妙地使用二氧化碳對其進行刻蝕，而不引入額外缺陷，從而成功制備出大面積的超潔凈石墨烯薄膜，該方法與普通CVD工藝完全兼容（Angew. Chem.2019,10.1002/ange.201905672）。同時，他們探究了本征污染物與石墨烯之間的相互作用，發展了基于活性炭的界面力調控方法，成功實現了石墨烯的表面清潔（Advanced Materials, 2019, e1902978）。

【圖文解讀】

一、泡沫銅輔助催化法制備超潔凈石墨烯

高溫下碳源裂解的副產物會落在石墨烯表面形成無定形碳污染物。作者利用高分辨的球差矯正透射電鏡、針尖增強拉曼（TERS）以及原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征手段對石墨烯本征污染物的來源和組成進行了詳細的研究，并普查了來自世界各地的CVD樣品，證實了CVD樣品表面污染物普遍存在，且主要來自于CVD高溫生長過程。為解決這一問題，作者在CVD生長過程中加入泡沫銅輔助提高銅蒸汽含量，從而提高氣相裂解催化的能力，將生成的副產物充分裂解隨尾氣排出體系，從而制備出潔凈度高達99%的超潔凈石墨烯薄膜。

圖1、泡沫銅輔助法制備超潔凈石墨烯

二、含銅碳源直接生長超潔凈石墨烯

不同于泡沫銅，這篇JACS文章巧妙地選用含銅碳源醋酸銅代替甲烷，同樣解決了表面污染的問題。由于醋酸銅碳源中同時含有了銅和碳，可以保證反應過程中銅蒸氣的持續穩定供應和碳氫化合物的充分裂解，對于制備無定形碳污染物更少的超潔凈石墨烯有著獨特的優勢。該工作不僅提供了一種制備超潔凈石墨烯薄膜的新思路，而且對于石墨烯制備過程中的機理研究也有一定的參考價值和意義。

圖2、含銅碳源制備超潔凈石墨烯

三、CO2氣體選擇性刻蝕法制備超潔凈石墨烯

基于石墨烯表面無定形碳污染物富含缺陷結構，故而有較高的化學反應活性的特點，作者選用二氧化碳這種弱氧化劑，成功實現了對石墨烯薄膜表面無定形碳污染物的高選擇性刻蝕，而未對石墨烯結構造成額外的破壞。該方法對高溫CVD生長的石墨烯薄膜直接進行原位高溫處理，制備得到的超潔凈石墨烯薄膜轉移之后表面依然潔凈，并且具有更加優異的光學和電學性質。同時，二氧化碳刻蝕法具有簡單、溫和、低成本、可放量的特點，也更加適合超潔凈石墨烯薄膜的大面積低成本批量制備。

圖3、二氧化碳選擇性刻蝕制備超潔凈石墨烯

四、基于界面力調控的“魔力粘毛輥”清潔石墨烯表面

從生活中“粘毛輥”的使用中獲得啟示，作者發展了一種基于界面力調控的后處理表面清潔方法——“魔力粘毛輥”法，可有效地去除石墨烯表面的本征污染物，從而制備出大面積超潔凈石墨烯，具有優良的電學性能，其霍爾遷移率高達500,000 cm2/V s，為CVD石墨烯的最高值。該方法巧妙的利用了活性炭對污染物的吸附作用，具有一定的普適性，甚至可以清潔轉移過程引入的高聚物殘留。將活性炭粘結做成滾輪，清潔效率更高，適用于超潔凈石墨烯的規模化制備。

圖4、“魔力粘毛輥”法制備超潔凈石墨烯

五、超潔凈石墨烯優異的性質

石墨烯的本征污染物的消除也會大大降低轉移引入的高聚物殘留，因而具有優良的物理化學性質，創造了CVD石墨烯的一系列新的世界紀錄：極高的遷移率（超過1000000 cm2/Vs）、極低的接觸電阻（96 Ω μm）、極高的透光性（97.6%）等等。超潔凈石墨烯相關的一系列成果為石墨烯制備領域開啟了一個新的研究方向。