近日，來自日本和臺(tái)灣的研究人員創(chuàng)建了一種新的CVD方法，使用稀甲烷蒸氣源和熔融鎵催化劑在低至50°C的溫度下生長(zhǎng)石墨烯。該研究是低溫石墨烯合成技術(shù)的重大進(jìn)展，研究人員首次將石墨烯直接生長(zhǎng)到塑料基材上，并且未來可將石墨烯整合到各種電子設(shè)備中。

　　眾所周知，CVD法是目前制備高質(zhì)量單層大面積石墨烯薄膜最有效的方法，但是目前的工藝需要1000℃以上的高溫，成本較高，過程復(fù)雜。近日，來自日本和臺(tái)灣的研究人員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種新的CVD方法，使用稀甲烷蒸氣源和熔融鎵催化劑在低至50°C的溫度下生長(zhǎng)石墨烯。研究結(jié)果發(fā)表在了近期《Nature》旗下的《Scientificreports》期刊上。

　　降低石墨烯的CVD合成溫度可以極好地將石墨烯整合到各種應(yīng)用中，如將CVD生長(zhǎng)的石墨烯直接集成到電子器件中。

　　該團(tuán)隊(duì)解釋說，在硅基電子學(xué)中，組件可以承受石墨烯一體化的上限溫度約為400°C。塑料半導(dǎo)體器件的閾值甚至更低，在石墨烯生長(zhǎng)過程中它只能承受高達(dá)100°C的溫度。在常規(guī)的CVD技術(shù)條件下，石墨烯生長(zhǎng)發(fā)生在1000°C附近，并不適合直接集成到電子器件中。

碳源的分解和石墨烯的生長(zhǎng)過程

　　這種新方法可以打破這種局限，該團(tuán)隊(duì)選用熔融鎵作為催化劑在稀釋甲烷氣氛的幫助下在藍(lán)寶石和聚碳酸酯基板上生長(zhǎng)CVD石墨烯，所需溫度可以降低到50℃左右。選擇鎵作為催化劑，因?yàn)樗墙鼇硎┥L(zhǎng)方法中被證明有效的催化劑，并且在合成石墨烯之后可以通過氣體射流容易地除去。碳源是利用空氣與氮?dú)夂蜌鍤饣旌衔锘旌舷♂屩?％的甲烷氣體。

石墨烯的表征結(jié)果

　　研究人員使用拉曼光譜、掃描電子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡檢查了生長(zhǎng)的石墨烯的質(zhì)量。表征結(jié)果顯示，新的CVD工藝能夠在近室溫（相對(duì)來說）下生長(zhǎng)出高質(zhì)量的石墨烯，石墨烯分別在50℃和100℃的生長(zhǎng)在了聚碳酸酯基板和藍(lán)寶石襯底上。

　　通過將碳附著到預(yù)生長(zhǎng)的石墨烯晶核邊緣上可以實(shí)現(xiàn)低溫合成，并且不會(huì)損壞基底或周圍組分。預(yù)先存在的晶核本身是通過常規(guī)CVD工藝或通過使用混合物12C和13C在低溫下的特殊的核轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的。

　　熔融鎵催化劑的存在促進(jìn)了較低溫度下的甲烷吸收，使得最終的反應(yīng)勢(shì)壘很低，低于300℃和0.16eV。研究還發(fā)現(xiàn)鎵的熔融狀態(tài)足夠流動(dòng)以促進(jìn)碳原子的增加的轉(zhuǎn)運(yùn)和生長(zhǎng)。

　　研究發(fā)現(xiàn)與較低的反應(yīng)勢(shì)壘和低溫核轉(zhuǎn)移過程相關(guān)的快速生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)促進(jìn)石墨烯的生長(zhǎng)降至低至50℃，并且是競(jìng)爭(zhēng)途徑的結(jié)果，即甲烷先在鎵表面的分解;然后大量液體鎵吸附甲烷，隨后甲烷再在鎵中沉積。

　　研究還發(fā)現(xiàn)這兩種途徑分別在高溫和低溫下有利，并解釋了在該過程中存在弱溫度依賴性和低反應(yīng)勢(shì)壘的原因。甲烷吸收途徑也被認(rèn)為是熔融鎵所獨(dú)特具有的特點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)使用其它金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)該方法是無效的，包括普通的石墨烯催化劑如銅和鎳。

　　該研究是低溫石墨烯合成技術(shù)的重大進(jìn)展，研究人員首次將石墨烯直接生長(zhǎng)到塑料基材上。石墨烯領(lǐng)域的任何人都將了解低溫合成方法所具有的潛在影響，并可用于未來將石墨烯整合到各種電子設(shè)備中。