使用化学气相沉积（CVD）大规模生长高质量石墨烯的能力正在迅速成为现实。然而，石墨烯从生长基底向目标基底的转移仍然是材料产业化的重大挑战。
Optical micrograph of star-shaped graphene flakes grown by CVD on copper.© （亚琛工业大学斯坦普弗实验室）
最近发表在ACS Nano杂志上的一项研究通过设计一种同时优化生长和转移过程的方法来关注这个问题。研究结果表明，当仔细选择生长表面的晶体取向时，可以实现石墨烯的高产干转移。
石墨烯：未来的材料
近年来，二维（2D）材料因其独特的性质和功能而受到科学界的广泛关注。该领域最突出的材料之一是石墨烯，一种排列成六边形晶格的单原子厚的碳原子层。它以其出色的导电性、高机械强度和透明度而闻名。
这些特性使石墨烯成为各种电子、能源和材料科学应用的有前途的材料。例如，石墨烯可用于开发集成传感器、柔性高频电子器件、宽带光电子学等等。
为了扩大石墨烯的生产，研究人员采用了化学气相沉积（CVD）作为晶体生长的领先技术。这种方法已被证明是合成高质量石墨烯的可靠和有效的方法，然后可以转移并用于各种应用。
二维材料，特别是石墨烯的进步，有可能塑造技术的未来，并在各个领域带来令人兴奋的新发展。
与石墨烯生长和转移相关的挑战
尽管这是一个强大的科学发现平台，但开发2D材料（尤其是石墨烯）仍存在一定的局限性和挑战。
单个设备之间的差距以及更大规模可重复制造它们的能力是将这些材料转化为实际应用的主要障碍。
化学气相沉积（CVD）是石墨烯可扩展晶体生长的领先技术，但在将石墨烯从生长基底转移仍然存在局限性。
这种转移过程取决于各种参数，包括石墨烯和铜之间的相互作用，以及铜表面的方向。目前的顺序优化方法也有一些局限性，因为由于转移过程的妥协，生长基板上高质量的石墨烯可能无法转化为最终器件。
这些限制和挑战为将二维材料（特别是石墨烯）转化为技术和更高附加值的应用带来了瓶颈。
当前研究的要点
本研究中使用的方法侧重于开发一种整体的组合优化方法，以改善石墨烯-铜系统的生长和转移过程。
该方法是一种快速筛选的描述符，允许在1000多种不同的晶体铜（Cu）取向上对100多个石墨烯岛进行系统分析。使用反极图（IPF）跟踪和研究每个工艺步骤的质量，并绘制为每个步骤的质量描述符。
IPF表示允许研究人员叠加IPF，并确定最适合组合整个过程的最高折射率Cu取向。
为了实现这一目标，研究人员采用外延近空间升华方法来专门创建最佳的Cu（168）取向，从而建立了一种可扩展的石墨烯岛生长和转移方法，具有高产量。
“这项工作最具挑战性的方面是我们生成的大量数据，”剑桥大学研究员，该论文的共同主要作者Oliver Burton说。
我们已经在100多种不同晶体取向上生长的数千个石墨烯岛上获取了数千个数据点，并在整个生长和转移过程中进行了测量。
奥利弗·伯顿，剑桥大学联合主要作者
重要发现和未来展望
在这项研究中，研究人员旨在解决将石墨烯的潜力带入实际应用所面临的挑战。他们使用全面的数据驱动方法来优化石墨烯的生长和转移到铜基板。
本研究中提出的方法揭示了使用以前未探索过的铜取向的好处。这提高了转移孤立石墨烯岛的产量，这对于自动化和高效的设备生产至关重要。
这些发现对面临类似挑战的其他类似材料系统具有影响。这种基于反极图（IPF）的快速筛选方法很容易适应其他材料系统，并为研究2D材料的取向相关特性及其与金属和基板的相互作用提供了一个强大的平台。
预计这种基于IPF的高通量方法将对该领域产生重大影响，为2D材料系统中的化学反应和物理效应提供有价值的见解。此外，它可以通过添加额外的描述符轻松扩展，使其成为未来研究的灵活工具。
参考
Burton, O. J. et al. (2023). Putting High-Index Cu on the Map for High-Yield, Dry-Transferred CVD Graphene. ACS Nano. Available at: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09253
资料来源：Federica Haupt, RWTH Aachen University
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