Nano Res.[碳]│迈向石墨烯产业：氧辅助化学气相沉积的理论方法

背景介绍

近年来，石墨烯因其良好的导电性和高载流子迁移率，在电子领域引起了广泛的关注。石墨烯工业化的关键是材料的高质量制备。然而，其制备过程中存在许多问题，如对碳源的裂解机理、基底氧化机理、缺陷修复理论不足等。在理论探究的过程中，结合实验结论，我们发现甲醇、乙醇等含氧碳源能够改善衬底上生长石墨烯的质量，在体系中引入O₂、CO₂、H₂O等含氧助剂也在不同维度上影响了石墨烯的生长质量。这就给我们启示， O对石墨烯生长过程产生一系列的影响。本研究利用密度泛函理论来探索O在石墨烯生长中的作用。

成果简介

我们讨论了Cu衬底氧化对碳源裂解、成核势垒、边缘生长和缺陷修复的影响。衬底上吸附OH时，CHX的脱氢势垒明显降低，总能垒大概为1.9 eV，降为原来的1/2。也就是说Cu衬底上的OH能降低CH₄的裂解能垒，使衬底表面碳物种浓度增大。衬底上吸附单个O对于在Cu_（111）上石墨烯的成核过程没有表现出更明显的优势，即Cu上吸附O在成核方面没有影响。此外，在石墨烯或其Cu衬底中吸附的O可以促进缺陷修复和边缘生长行为。比如，如图1（a）所示，对于SW缺陷修复，在Cu衬底上吸附O_Cu时，SW缺陷修复能量势垒为4.17 eV。石墨烯表面上吸附O_gra时，SW缺陷修复能垒为1.04 eV，远小于裸Cu衬底的（2.99 eV）。这一结果表明，O的不同吸附位置对SW缺陷的修复能垒有很大影响，O_gra可以促进SW缺陷的修复。如图1（b）所示,从电荷差分密度图上可以看出，当石墨烯的SW缺陷被氧化时，存在明显的电子转移。O从SW缺陷中获得一些电子，削弱了SW缺陷的共价C-C键。但当Cu衬底被氧化时，O从Cu衬底获得更多的电子，此时SW的C-C键没有电子转移。这个结果意味着电子转移是缺陷修复的根本原因。

图1 基于不同O吸附位置的SW/SV/DV缺陷修复能量屏障和差分电荷密度图。（a） 用于SW/SV/DV缺陷修复的能量屏障。考虑了三种不同的系统。灰色表示没有 O 的系统，红色表示O吸附在Cu衬底表面，绿色表示O吸附在石墨烯缺陷附近；（b）O的SW缺陷在不同位置的电荷差密度，蓝色表示失去电子，黄色表示获得电子。红球表示O吸附在Cu衬底表面;绿色球表示O吸附在石墨烯表面。

作者简介

孙晓莉，北京石墨烯研究院理论计算与仿真中心，课题组长，副研究员。2019年6月毕业于电子科技大学，2017年9月-2019年3月留学南洋理工大学联合培养，2019年7月-2021年7月清华大学博士后。2021年8月加入北京石墨烯研究院。

主要从事低维电极材料和电催化材料、石墨烯CVD生长过程的微观机理研究，以第一作者和通讯作者在Advanced Materials、Infomat、ACS Applied Materials and Interfaces、Advanced Science、Carbon、Nanoscale、Nano Research等国际著名期刊上发表论文20篇，主持JWKJW项目1项。2009、2010、2011年山东师范大学优秀学生干部、优秀党员干部、优秀学生奖学金，2013年山东省优秀毕业生， 2016年电子科技大学优秀学生奖学金，2017、2018年电子科技大学一等奖学金、国家奖学金，2017年第一届ECS会议新加坡分场国际会议论文一等奖，2019年清华大学“水木学者”，2022年北京石墨烯研究院成玮科技二等奖，2023年北京石墨烯研究院优秀科研人员。

文章信息

Sun X, Yu C, Yang Y, et al. Theoretical investigations on the growth of graphene by oxygen-assisted chemical vapor deposition. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6452-5