Nano Res.[碳]│北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范—孙禄钊课题组：二聚体碳源前驱体快速生长石墨烯薄膜

背景介绍

石墨烯具有独特的结构和优异的性质，近年来获得了学术界和工业界的密切关注。大面积高品质石墨烯薄膜的低成本制备是其走向产业化应用的关键。在众多合成方法中，化学气相沉积法（CVD）是实现石墨烯薄膜批量制备的重要技术路线，甲烷碳源（CH₄）是过去十年中CVD法制备石墨烯最常用的前驱体。然而CH₄需要克服多步脱氢势垒形成CH或C，方可参与石墨烯的生长；而且CH₄中C-H键键能高达414 kJ/mol，CH₄脱氢效率较低，导致石墨烯生长速率缓慢。虽然研究者们提出了合金衬底提高催化活性、氧/氟等辅助催化剂等方法提高CH₄生长石墨烯的生长速度，但这些方法在真正应用于大尺寸石墨烯薄膜的规模化制备工艺时仍面临诸多困难。发展易于规模化放大、兼容性高的快速生长方法仍是石墨烯产业亟需解决的问题。

成果简介

本工作从碳源选择和石墨烯生长基元步骤设计出发，总结了乙炔（C₂H₂）和CH₄前驱体生长石墨烯的行为和规律：与CH₄碳源不同，C₂H₂碳源裂解后优先在铜箔上游沉积石墨烯，且表现出明显的生长速率优势。通过密度泛函理论计算研究，本工作从吸附、裂解、键连等方面证明了C₂H₂在石墨烯快速生长方面的潜力：相比于CH₄，C₂H₂具有更高的吸附能、更低的裂解势垒和更短的裂解路径。更重要的是，C₂H₂裂解产生的有效活性物种为碳二聚体（C₂），表现出比CH或C更高的键连、拼接效率。基于此，我们提出了基于C₂H₂为碳源前驱体的扫略式生长方法，该方法展现出极高的生长速率（40 cm/min）和良好的可控性，有望应用于卷对卷制程实现石墨烯薄膜的低成本快速制备。

作者简介

北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范院士、孙禄钊特聘研究员课题组致力于通用石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）生长方法研究，近年来从催化剂衬底设计、热动力学控制、以及规模化制备等方面取得了一系列成果，发展了大尺寸Cu(111)、CuNi(111)单晶箔材催化衬底的制备方法，实现了单晶石墨烯薄膜的外延生长、超洁净石墨烯薄膜的可控制备、以及0~30°扭转双层石墨烯的CVD生长，研制了A3尺寸通用石墨烯薄膜批量生长装备，开发了一系列匀气、导热、以及衬底应力调控的方法，实现了大畴区石墨烯薄膜的量产。相关研究成果发表在Nature Reviews Methods Primers、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、NanoResearch等国际知名期刊。

本课题组还将继续发展通用石墨烯薄膜的可控制备方法，不断开拓新型基体上特殊结构石墨烯的可控生长方法，开发新型石墨烯复合材料及杀手锏级应用，同时开展石墨烯物性研究及精细表征，研制石墨烯CVD生长装备（规模化装备、原位检测装置等）。本课题组经费充足，长期诚聘博士后及研发工程师若干名，欢迎物理、化学、材料相关背景有志之士加入本课题组！

有意向者请将个人简历及相关资料发送至邮箱：sunlz-cnc@pku.edu.cn或sunlz@bgi-graphene.com。

文章信息

Chen H, Sun X, Song X, et al. Fast scanning growth of high-quality graphene films on Cu foils fueled by dimeric carbon precursor. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5814-8.