调控石墨烯边界的新方法

作者: 王浩敏

来源: 中国科学院上海微系统与信息技术研究所

发布日期: 2017-09-11 07:30:00

中科院上海微系统所的王浩敏研究员团队利用化学气相沉积法,在六角氮化硼表面生长石墨烯过程中通过改变碳源气体与催化气体的比例,成功实现了石墨烯的边界调控。这一研究成果为石墨烯纳米带的大规模制备及能带工程研究提供了可选择性方案。

石墨烯由于其众多优良的物理与化学特性为大家所熟知,例如其单原子层厚度、高机械强度和高电子迁移率等。理想的石墨烯是零带隙半金属。实际上石墨烯的能带结构常常受到其微观结构,特别是其边界结构的影响。石墨烯的边界通常可以分为其两种:扶手椅型(Armchair,AC)边界和锯齿型(Zigzag,ZZ)边界。相对来说,锯齿型边界化学活性较高因而较为“活泼”,扶手椅型边界则显得更“稳重”。

这是因为锯齿型边界的每个碳原子有一个未配对电子,很容易与其他反应物结合。而扶手椅型边界的碳原子的化学活性相比锯齿型边界就要稳定很多,因为扶手椅型边界的每个边界六角环上开放的两个碳原子有三重共价键。目前生长石墨烯使用最普遍的方法是化学气相沉积法,通过调控生长气氛与温度等条件来实现石墨烯单晶的大小、形核密度、石墨烯层数及边界的调控。

近日,中科院上海微系统所的王浩敏研究员团队利用化学气相沉积法,在六角氮化硼表面生长石墨烯过程中通过改变碳源气体(C2H2)与催化气体(SiH4)的比例,成功实现了石墨烯的边界调控。研究人员利用原子力显微镜(AFM)对六角氮化硼表面生长的石墨烯进行了观测。图2就是具有不同取向边界的石墨烯AFM图。在以往的研究中,科学家往往将氢气作为刻蚀剂,在生长过程中对石墨烯形状进行修剪。

在该研究中,王浩敏研究员团队创造性地利用极其微量的硅烷作为气相催化剂,来实现石墨烯的催化生长。石墨烯带是指宽度在几至几百纳米的条带状石墨烯。在六角氮化硼台阶处,通过边界外延可以得到边界平直的石墨烯带。六角氮化硼台阶外延生长石墨烯带的方法,可以根据氮化硼台阶取向制备不同边界的石墨烯带。该研究成果为石墨烯纳米带的大规模制备及能带工程研究提供了可选择性方案。

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