近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳紅征教授團(tuán)隊(duì)的徐明生教授小組在石墨烯化學(xué)氣相沉積(CVD)生長方面有新的發(fā)現(xiàn)，相關(guān)工作"Graphene Nucleation Preferentially at Oxygen-Rich Cu Sites Rather Than on Pure Cu Surface"發(fā)表在《Advanced Materials》上。
自2004年揭示石墨烯的優(yōu)異性能及潛在的應(yīng)用后，石墨烯受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注；石墨烯薄膜在柔性透明導(dǎo)電膜等領(lǐng)域市場化應(yīng)用的前提是高質(zhì)量石墨烯薄膜的規(guī)模化可控制備技術(shù)，而可控制備技術(shù)的建立需要對石墨烯成核和成長有深刻理解。在石墨烯薄膜的CVD制備方法中，考慮到碳原子在銅中的溶解度比其它具有催化性能的金屬如鎳較低，銅基底被廣泛用于CVD方法制備石墨烯薄膜。然而，國際上各實(shí)驗(yàn)室制備的石墨烯薄膜的性能差別很大、重復(fù)性很低；該團(tuán)對意識到石墨烯薄膜在銅基底上的成核和成長機(jī)制可能并不清楚，控制石墨烯成核和成長的關(guān)鍵因素依然沒有被發(fā)現(xiàn)。一個簡單但被忽略的問題：如果催化性金屬如銅基底中存在雜質(zhì)，石墨烯是否真如研究者通常認(rèn)為的在純銅位置上成核和成長嗎？
俄歇電子能譜具有很高的分辨率，可以同時測試樣品的表面形貌和化學(xué)組份元素分布。在前期研發(fā)的基礎(chǔ)上，徐明生博士研究組采用掃描俄歇電子能譜對石墨烯的成核位點(diǎn)進(jìn)行了元素分布研究。他們發(fā)現(xiàn)：在石墨烯晶核和晶粒處，氧的含量要比在沒有石墨烯的銅基底高很多。為了揭示氧存在的位置，他們對石墨烯/銅樣品進(jìn)行了元素垂直分布表征，研究發(fā)現(xiàn)氧存在于石墨烯的下方，是在石墨烯制備過程中從銅箔體內(nèi)偏析出來的。密度泛函理論的計(jì)算證明表面富氧的銅基底對碳原子的吸附力比純銅基底更強(qiáng)。他們的研究結(jié)果表明：石墨烯是在富氧的銅表面而非通常認(rèn)為的純銅表面成核和成長。這一發(fā)現(xiàn)揭示了石墨烯如何在銅基底上成核，氧對于控制石墨烯成核位點(diǎn)的重要性，為石墨烯薄膜的規(guī)模化可控（圖案化）生長提供了新的思路和途徑。
圖1：石墨烯優(yōu)先在富氧的銅表面成核。
上述工作的石墨烯薄膜是該團(tuán)隊(duì)利用其自行研制的石墨烯薄膜制備的專業(yè)設(shè)備制備；俄歇電子能譜測試得到日本國家材料科學(xué)研究所（National Institute for Materials Science (NIMS)）的Daisuke Fujita博士和Hideo Iwai博士的支持，是該團(tuán)隊(duì)在NIMS完成；密度泛函理論的計(jì)算由浙江大學(xué)化學(xué)系劉迎春副教授團(tuán)隊(duì)完成。本研究得到科技部國家國際科技合作專項(xiàng)、浙江省科技廳、浙江省自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。本工作的相關(guān)內(nèi)容已申請國家發(fā)明專利。
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