重庆大学胡宝山，重庆科技大学杨倩Small Methods：双层石墨烯条带阵列的限域CVD合成及其变温光谱特性

研究背景

石墨烯凭借其卓越的物理化学特性，成为新型微电子器件的重要候选材料。然而，本征石墨烯固有的零带隙特性严重限制了其在半导体工业领域的应用。相较而言，双层石墨烯条带（GR）的带隙可以通过多种自由度进行调控，例如，宽度、层间堆垛方式及扭转角、边缘构象及其耦合、外部电场等。化学气相沉积（CVD）法可实现高质量石墨烯薄膜的大规模制备，但晶圆规模、定向排列的双层GR的制备面临两大挑战：一是带状金属基底在高温CVD过程中易发生反润湿行为，导致GR的共形催化生长表面被破坏，无法保证GR的形貌规则性和连续性；二是GR的层数难以精准控制。

文章概述

重庆大学胡宝山与重庆科技大学杨倩联合研究团队报道了一种利用双功能金属粘附层来实现双层GR阵列限域CVD生长的新方法，并对其变温光谱特性进行了研究。该研究利用Ni金属膜作为粘附层和储碳层，来诱导微纳沟槽中Cu金属膜发生各向异性反润湿行为，以C₂H₄作为C₂的直接供给体，利用沟槽限域空间内气体反应物分子的近分子流运动特性，成功合成了具有可变扭转角的双层GR阵列。而且，所制备的双层GR展现出独特的变温拉曼光谱和光致发光特性，预示其在光电器件领域的巨大应用潜力。

图文导读

图1. 双层石墨烯条带阵列的制备过程、反润湿后金属条带形貌的SEM及石墨烯条带的TEM图。

图2. 不同种类气体和固体碳源对石墨烯条带制备的影响。

图3. 铜镍合金作为生长基底的双层石墨烯条带的成核及生长机理。

图4. 双层石墨烯条带的变温拉曼光谱及光致发光性能。

结论

该研究利用金属Ni作为粘附层和储碳层，通过微纳沟槽限域CVD技术，实现了双层GR的可控制备。通过精确设计反润湿影响参数，有效调控V型槽内CuNi合金的反润湿行为，获得平行排列、形状规则的金属条带阵列。由C₂H₄分解产生的C₂物种诱导附加层的成核，调节其生长动力学，实现了双层GR的精准制备。微纳沟槽的限域效应、C₂物种的高迁移率以及第二层石墨烯/金属基底之间的强相互作用，诱导了堆叠角可变的双层GR的非平衡生长。DFT理论计算揭示了合金基底能够增强C₂物种在金属表面的吸附和成核，双层GR的生长遵循逐层成核和生长模式，其生长模型类似于“倒置婚礼蛋糕”。采用该方法制备的双层GR展现出独特的变温拉曼光谱和光致发光特性：其拉曼2D峰的温度系数显著低于传统双层石墨烯薄膜，并表现出光致发光反常热淬灭行为。这一研究为转角双层GR的可控制备提供了创新性策略，并为其在微纳电子器件领域的潜在应用奠定了重要基础。

论文信息

Confined CVD Synthesis and Temperature-Dependent Spectroscopic Properties of Bilayer Graphene Ribbon Arrays with Bifunctional Modulation of Adhesion Metal

Congcong Ning, Qian Yang*, Yan Jin, Xiangnan Gong, Yifan Zhu, Amin Mao, Baoshan Hu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202401680