近日，北京大学刘忠范教授、苏州大学孙靖宇教授和南京航空航天大学郭万林教授等合作，报道了一种利用金属助剂辅助，实现晶圆级绝缘衬底上石墨烯高品质无转移生长的方法，并基于此石墨烯，制备了具有较高输出电压及优异长循环稳定性的水伏发电器件。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。
（左）醋酸铜辅助生长石墨烯示意图；（右）水伏发电器件构型示意图
制备决定未来，石墨烯要真正走向应用，在介电衬底上直接生长高品质石墨烯至关重要。然而，由于缺乏衬底的催化活性，直接生长的石墨烯往往存在结晶品质低、缺陷多、层数均匀性差等问题，晶圆级绝缘衬底上石墨烯的直接生长仍存在巨大挑战。远程金属催化等传统金属催化方法存在无法放大、金属残留等问题。
基于此，该研究团队利用含金属前驱体的醋酸铜提供铜团簇，以实现石墨烯生长过程中的金属催化，辅助石墨烯在绝缘衬底上的直接生长。研究者借助独立的加热系统，使醋酸铜挥发，将其输送到反应腔体中，在高温下裂解得到铜团簇。铜团簇能够显著降低甲烷的裂解能垒，实现碳源的充分裂解。该方法得到的石墨烯无铜残留，具有较高的结晶质量，多层区域得以抑制，并显示出高载流子迁移率。
在绝缘衬底上直接生长石墨烯薄膜，低倍TEM图（左）和高分辨TEM图（右）
进一步，该研究团队制作了基于直接生长石墨烯的水伏发电器件，与转移石墨烯的水伏发电器件相比，该器件表现出了较高的输出电压及优异的循环稳定性。该工作展示了直接生长石墨烯在智能窗与水伏发电上的应用前景。
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Copper acetate-facilitated transfer-free growth of high-quality graphene for hydrovoltaic generators
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab169
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