麻省理工学院Frances M. Ross等–控制金成核和生长的悬浮石墨烯膜

成核位置的控制是材料生长的一个重要目标：规则阵列中的原子核可能会表现出涌现的光子或电子行为，一旦原子核聚结成薄膜，成核密度就会影响表面粗糙度、应力和晶界结构等参数。因此，调整衬底特性以控制成核是设计功能薄膜和纳米材料的有力工具。在这里，我们研究了在不存在衬底效应且异质成核位点最小化的情况下，沉积在二维材料上的金属的成核控制。通过对石墨烯上多面、外延的 Au 岛成核的量化，我们表明，在我们测量相邻支撑衬底上高 2-3 个数量级的成核密度的条件下，可以在悬浮石墨烯上实现核相距几微米的超低成核密度。我们使用成核理论估计扩散距离，并发现成核和扩散对悬浮石墨烯厚度的强烈敏感性。最后，我们讨论了表面粗糙度作为决定清洁独立石墨烯成核密度的主要因素的作用。

图 1. 与 SiN 支持的 Gr 相比，悬浮 Gr 的成核密度低。(a, b) 3L Gr 和 0.15 nm Au 的 TEM 和高角度环形暗场 STEM 图像。  (b) 中的对比度已被反转，以便于比较图像。(c) 10L Gr 的 TEM 图像。在悬浮区域上没有看到金的成核，而是在孔的边缘和支撑区域上。

注意（c）中由膜弯曲引起的弱衍射对比。(c) 中的斑驳背景对比度是由于样品在从 UHV 系统中移除后受到污染，因此不会影响成核密度测量。

图 2. 图 2. Gr 上与层相关的 Au 沉积特性。(a) Au 沉积在悬浮的 1L、2L 和 4L Gr 上的 TEM 图像，这些都来自同一样品。(b) (a) 中所示样品的 Au 区域直方图。岛区域是在几个孔上测量的，每个孔的 Gr 厚度都是已知的。对于 1L、2L 和 4L Gr，测量的组合面积分别为 72、39 和 79 μm2。  (c) 悬浮 Gr 上的 Au 成核密度与 Gr 厚度的关系。六种不同的符号颜色/形状对应于六种不同的样本。（ d ）针对每个样品和每个厚度的 Gr 厚度绘制的平均岛面积。  (c) 和 (d) 中的误差线是标准误差。

图 3. Au 在干净的悬浮 Gr 上的外延。  (a) 沉积金的 3L Gr 的 TEM 图像。绿色和橙色圆圈分别标记用于捕获 (b) 和 (c) 中的衍射图案的选定区域孔径的范围。  (a) 中的插图显示了橙色区域的放大图。在 (b) 中，红色指数代表 Gr，蓝色指数代表 Au。

图 4. 未退火样品上的金沉积。  (a) 在 SiO₂ 上剥离的单层 Gr 晶体上蒸发的金的 SEM 图像。  (b) 沉积在 128 nm 厚石墨上的金的 TEM 图像，同时它被支撑在 SiO₂ 上，随后转移到 TEM 网格上进行 TEM 成像。插图显示了衍射图案，Gr 指数为红色，Au 为蓝色字体。

图 5. 单层 Gr 中的波纹。已沉积 0.15 nm Au 的单层 Gr 的扫描电子显微镜概览图像。

相关研究成果由麻省理工学院Frances M. Ross等人2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00405)上。原文：Suspended Graphene Membranes to Control Au Nucleation and Growth。