韩国基础科学院丁峰教授课题组及其合作者们在多层石墨烯的生长机制研究上取得了新的进展，相关成果以标题为“Spiral growth of adlayer graphene”发表在Advanced Materials杂志上，此研究得到了韩国基础科学院和国家自然科学基金的资助支持。
CVD生长所得到的石墨烯的形状与其生长过程中所处的反应环境息息相关，理解不同形状的石墨烯的生长机制，是实现石墨烯的可控生长目标的基础。在本文所报道的工作中，作者观察到了多层石墨烯的一种特别的螺旋生长模式。这种生长模式有多个典型特征（图1）：首先，这些多层石墨烯是底部生长模式，也就是第二层石墨烯生长在第一层的下方；第二，这种多层石墨烯的各层拥有相同的中心成核点。最后，第一层石墨烯是完整的六边形形状，且每个边都是锯齿型（zigzag）；第二层石墨烯拥有一个中心区域，然后从中心区域的顶点延伸出一个或者多个“螺旋臂”，螺旋臂的端点贴附在第一层石墨烯边缘的下方。作者还发现，多个顺时针或逆时针生长的石墨烯螺旋相遇时会重叠在一起，形成之前被报道过的石墨烯洋葱结构。进一步的SAED和TEM测试表明多层螺旋石墨烯是AB堆垛型结构（图2，3）。
根据这些特征，作者提出了这种多层螺旋石墨烯生长模式的机制：由于第一层石墨烯的覆盖，第二层石墨烯生长所需的碳源必须穿过第一层石墨烯的边界，因此形成了碳源的径向梯度，导致第二层石墨烯越靠外的位置生长越快；当石墨烯螺旋臂在某处生长后，该处的碳源便被消耗，形成碳源的切向梯度，因此螺旋臂可以沿着顺时针或者逆时针方向快速生长。根据所提出的生长机制，作者进一步做了动力学蒙特卡洛的模拟（图4），得到了和实验高度一致的结果，由此验证了此机制的合理性。
该研究揭示了在碳源不足时多层石墨烯生长的独特机制，由此可以设计通过控制碳源供给来调控多层石墨烯的覆盖率及质量，最终实现多层石墨烯的可控生长。
图1. 不同形状的第二层石墨烯螺旋. a-f, 不同类型的第二层石墨烯螺旋的SEM图像，其中a-e 中有1-5个顺时针或者逆时针的同向螺旋臂， f中有一个顺时针的螺旋臂和一个逆时针的螺旋臂。g图中多个螺旋臂相互交叠，形成石墨烯洋葱。h图是石墨烯螺旋臂外边界与zigzag方向夹角的柱形图统计。i, k是石墨烯螺旋臂的拉曼光谱图。m图示意了三种可能的多层石墨烯生长模式，其中第一种底部生长对应于本文研究。
图2. 对石墨烯螺旋结构的TEM和SAED测试分析. a图由单个石墨烯螺旋臂的DF-TEM图像拼接而成，b图是单层和双层区域的SAED图案，图案显示两层石墨烯间没有转角。c图是石墨烯螺旋臂端点处的DF-TEM图像。d图是c图对应的原子模型示意图。e-h展示了不同区域的HRTEM图像，图像显示各个区域均为AB堆垛。i-k图为利用DF-TEM和SEM对具有五个螺旋臂的多层石墨烯进行解剖。
图3. 对石墨烯洋葱的TEM和SAED测试分析. a图是石墨烯洋葱的BF-TEM图像，b图是a图中红圈所示区域的放大，c图是b图中黄圈所示区域的DF-TEM图像，d图是此区域的SAED图案。e和f是由石墨烯洋葱的DF-TEM图像拼接而成。
图4. 利用动力学蒙特卡洛模拟不同类型的石墨烯螺旋臂生长. a图是单个石墨烯螺旋臂生长机制的示意图。b图为单个螺旋臂生长的动力学蒙特卡洛模拟过程，c图为相对应的SEM图像。d图为其他几种螺旋臂的动力学蒙特卡洛模拟结果和其对应的SEM观测图像。
作者简介
丁峰教授团队主要的研究方向是：碳材料和二维材料相关的计算方法开发，实验设计，理论探索，特别是其形成机制，成核，生长和蚀刻的动力学研究。相关成果发表在 Nature, Science, PRL等国际顶级期刊上， 所发表论文共被引用了>17227次（SCI），他的个人h指数是71。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202107587
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