作为第一种被发现的二维材料，石墨烯由于其优异的独特性能，包括超高载流子迁移率、优异的机械强度、导热性、导电性和高透明度，在光电子应用中显示出巨大的前景。石墨烯的图案化是应用中实现高性能器件的关键技术。到目前为止，基于光刻技术的自顶向下组装是制备图案化石墨烯最常用的方法。在制备的石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶薄膜，用图案掩模的盖子曝光并显影，然后蚀刻石墨烯图案。由于工艺复杂且难以去除光刻胶残留物，自上而下制备图案化石墨烯的方法对石墨烯的质量有着不可避免的影响。最近，利用图案化有机前驱体作为碳源的自底向上方法被开发出来，以制备图案化石墨烯薄膜。虽然这种自下而上的方法可以实现高精度的图案化石墨烯制备，但由于使用有机物作为碳源，石墨烯缺陷密度很高。此外，由于有机前驱体的旋涂过程，很难控制石墨烯层的数量。因此，实现高质量的单层图案化石墨烯制备仍然是人们高度期望的。
针对这些问题，中科院重庆绿色智能技术研究院提出了一种在铜衬底上原位生长高质量单层石墨烯结构的选择性区域重构（SAR）方法。该方法利用选择性氧化和高温还原技术，可有效调节铜基板的表面特性，从而精确控制定制石墨烯结构的成核和生长行为。所制备的石墨烯结构的特征尺寸小于1 μm，具有很高的单层覆盖率和低的缺陷密度。该方法为直接生长高质量、可扩展、高精度的功能石墨烯结构提供了一种新的方法，有望在光电子应用中发挥潜力。
通过SAR方法制备高质量单层定制图案石墨烯包括以下步骤。首先，在抛光的铜衬底上旋涂一层光刻胶。基板在环境大气中通过定制的掩模暴露于紫外线下数秒，然后显影。然后，将铜箔暴露于氧化环境（如过氧化氢、过硫酸铵），调控氧化时间，从而在铜表面形成由铜氧化物组成的缓冲层。在覆有光刻胶的铜表面区域，铜箔的原始结构得以保护，免受氧化。随后，氧化样品在还原性气氛中退火，导致氧化区域的表面重建。通过抑制重构区域中石墨烯的生长，可以精确地合成定制的石墨烯结构。
石墨烯图案化生长区域与非生长区域之间的边界尖锐，显示出很好的图案生长精度。石墨烯生长过程的分析表明，由于在铜表面上构造了重构结构，重构区域中的石墨烯覆盖率发生了显著变化，表明重构区域石墨烯的成核生长受到了抑制。同时，文中展示了定制汉字“庆”的图案化石墨烯薄膜，结果表明石墨烯薄膜按照预设的形状精确生长，边缘清晰。字体部分没有石墨烯，而其余区域完全被石墨烯薄膜覆盖。2D峰的拉曼图谱表明，石墨烯晶体结构良好，无明显缺陷。
SAR方法的核心过程在于通过氧化还原过程形成重构结构。氧化过程中注入的氧元素的量决定了重构过程中的变形程度。在还原过程中，由于氢气不断去除氧化物中的氧原子，氧化铜晶格中迅速生成大量的氧空位。由于铜氧化物中的氧原子被大量提取，其自身的晶体结构无法维持，最终坍塌形成类似“威化饼干”的层状、疏松和多孔三维结构。
SAR方法适用于各种复杂形状的图案化石墨烯的生长。在文中展示了直接生长出的中国科学院的院标及各种复杂的器件用图形结构。
对基于定制单层石墨烯图案化结构的光电性能进行了表征，利用荧光淬灭效应制备了光致发光器件，将石墨烯图案进行了可视化制备。结合硫化铅量子点材料制备了复合结构红外探测器，实现了635纳米激发下6000 A/W的响应度。
以上研究成果的第一作者为张瑞齐博士，通讯作者为史浩飞研究员和李昕副研究员，以“In-situ growth of high-quality customized monolayer graphene structures for optoelectronics”为题，发表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202202376）。以上工作受到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金及国家重点研发计划等项目支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202376
本文来自化学与材料科学，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
