Nano Res.│中国石油大学（华东）无机功能材料团队/清华大学朱宏伟教授团队：逃离高熵合金，碳摇身一变成石墨烯

背景介绍

电子信息器件小型化和轻量化的发展趋势对新型半导体材料的研制提出了更高要求。石墨烯完美的晶体结构和超薄平面结构可有效抑制短沟道效应，进而展现出后硅时代分子尺度电子器件的应用潜力。然而，采用目前主流的化学气相沉积（CVD）法制备石墨烯薄膜时，石墨烯薄膜的质量受基底热失配、金属催化机制和基底共形接触的共同影响。高熵合金是具有多种主元且形成固溶体主相的合金系统，具有迟滞扩散效应、热膨胀系数可调、热稳定性好等特点。受此启发，通过高熵合金组元调节，不仅可以控制基底与石墨烯的热失配，而且合金基底中存在多类型、溶碳能力不同的固溶体相，将其应用于石墨烯CVD制备，必将丰富和深化对石墨烯成膜催化机制的认识。

研究方法

采用电弧熔炼法制备FeCoNiCu_0.25合金铸锭，塑性变形、切割、预处理和退火后得到合金薄片，作为CVD生长石墨烯薄膜的基底，并进行了生长机理探讨。

成果简介

① 实现FeCoNiCu_0.25为基底生长石墨烯工艺：FeCoNiCu_0.25合金表面元素和组织分布均匀、晶粒大小规则、无明显枝晶偏析，且为单相固溶体结构，有利于石墨烯生长。同时，基底热稳定性良好，在石墨烯的生长温度下，衬底不会发生脱溶、过烧和熔化等现象。

② 探究石墨烯生长参数及组织结构与性能：碳源为4 sccm，H₂为20 sccm，生长温度为1040 ℃，生长时间为30 min，石墨烯可跨越晶界生长。表征发现制备的石墨烯具有晶畴尺寸大、完整度高、层数分布均匀、晶化程度高、连续性好、非晶碳和褶皱数量少等特点。

③ 提出内禀陷阱调控生长机制：由于高熵合金内部含有大量的深陷阱，赋予其独特的迟滞扩散效应，抑制了碳的析出，避免碳原子在短时间内过量析出，大大减少了碳原子扎堆聚集形成非晶碳及不均匀形核位点的数量，提高石墨烯的洁净度和均匀性，即内禀陷阱调控石墨烯生长机制。

课题组简介

中国石油大学（华东）无机功能材料团队：以微纳材料功能化调控技术研究为基础，聚焦无机非材料在新能源领域的前沿应用研究。团队一直倡导将前沿性基础研究成果与国民经济发展和国家重大需求紧密相连，致力于突破非常规工程环境中高可靠性能量转换/存储及固体废弃物资源化利用等关键核心技术，推动材料功能化研究在降低能源密度方面的应用。重点研究：碳基多孔材料的润湿性及其水处理技术；劣质石油焦的高值化利用技术；复杂服役环境适用特种能源动力核心材料研究；析氢电催化剂研究；离子电池的改性正极和高可逆性负极研究；CVD石墨烯生长机制研究。

Ning Cao, caoning@upc.edu.cn；Xiaobei Zang, xiaobeizang@upc.edu.cn

清华大学朱宏伟教授团队：主要从事纳米材料连续化（多维多尺度宏观体的可控合成）、纳米技术在能源/环保领域的应用研究。研究领域包括：石墨烯、拓扑绝缘体，碳纳米管手性控制与应用，能量收集、转换与存储（太阳能电池、超级电容器等），多孔材料、复合材料与异质结构。近年来承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划重大项目等科研项目。获国家自然科学二等奖和教育部自然科学一、二等奖。出版学术著作5部，授权发明专利20余项，在Science, Chem. Rev. Soc., Sci. Adv., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊上发表论文200余篇。

Hongwei Zhu, hongweizhu@tsinghua.edu.cn

文章信息

Ning Cao, Peng Liu, Jialiang Pan, Liheng Liang, Kunpeng Cai, Qingguo Shao, Hongwei Zhu^* & Xiaobei Zang^*. Intrinsic-trap-regulating growth of clean graphene on high-entropy alloy substrate. Nano Researchhttps://doi.org/10.1007/s12274-021-4061-0.