中國(guó)粉體網(wǎng)3月17日訊 高質(zhì)量二維原子晶體的可控制備是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的前提，目前是迫切需要優(yōu)先研究的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一�？煽刂苽涞淖罱K目的是獲得大面積、單層和單晶結(jié)構(gòu)的二維原子晶體�！�
在中國(guó)科學(xué)院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的大力支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)科研人員最近在石墨烯、氮化硼的可控制備和性能研究方面取得重要進(jìn)展，有關(guān)結(jié)果均發(fā)表在Adv. Mater.上�！�
介電層上直接生長(zhǎng)單晶石墨烯�；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）因兼有高質(zhì)量和宏量的優(yōu)點(diǎn)已成為石墨烯制備的最重要的方法之一。但利用這種方法制備的石墨烯一般都需要轉(zhuǎn)移到其它介電層上，才能制備石墨烯器件和電路，轉(zhuǎn)移過(guò)程將帶來(lái)石墨烯破損、褶皺、污染以及材料浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，能否在介電層上直接生長(zhǎng)石墨烯就具有重要的科學(xué)意義和巨大的技術(shù)需求。它與目前硅電子學(xué)的加工工藝兼容，石墨烯不需要轉(zhuǎn)移，可以直接用于器件的制備和組裝。在前期工作中，研究人員發(fā)明了氧輔助法，在二氧化硅絕緣材料上直接制備了石墨烯薄膜（J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 17548）。隨后他們又發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩段化學(xué)氣相沉積方法，控制石墨烯的成核點(diǎn)和晶區(qū)尺寸，實(shí)現(xiàn)了在氮化硅表面上的直接生長(zhǎng)。制備的石墨烯薄膜中石墨烯疇晶的尺寸達(dá)1μm，遷移率在空氣中可以達(dá)到1510 cm2 V-1s-1（Adv. Mater., 2013, 25,992）。但上述兩種方法制備的石墨烯薄膜均為多晶結(jié)構(gòu)。本工作中他們開(kāi)發(fā)了小氣流、長(zhǎng)時(shí)間、在接近平衡態(tài)條件下的沉積方法，在多種絕緣基底上實(shí)現(xiàn)了微米尺度石墨烯單晶的非金屬催化生長(zhǎng)和可控制備。最大石墨烯單晶尺寸達(dá)11微米（圖1左），是文獻(xiàn)中報(bào)道的在氮化硼基底生長(zhǎng)的石墨烯單晶尺寸的30倍。這種石墨烯單晶具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，并且表面干凈、無(wú)褶皺、無(wú)破損。由它制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的遷移率超過(guò)5000 cm2 V-1s-1。該研究成功地實(shí)踐了中華名言“慢工出細(xì)活”，即在小氣流、接近平衡態(tài)的條件下，由甲烷分解的碳原子有充足的時(shí)間重新自組裝成單晶石墨烯。該研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上(Adv. Mater., 2014, 1348-1353)，并被選為內(nèi)封底（圖1右）。
圖1 單晶石墨烯AFM照片（左）和《先進(jìn)材料》內(nèi)封底（右）
具有大疇晶尺寸的六方氮化硼（h-BN）單層薄膜的制備。近年來(lái)石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面的研究引起了人們的廣泛關(guān)注，其場(chǎng)效應(yīng)器件主要是以二氧化硅/硅為基底進(jìn)行組裝，該類(lèi)器件由于二氧化硅表面的雜質(zhì)引起的電荷散射、表面的懸空鍵和電荷陷阱的存在，從而無(wú)法充分展示石墨烯本身的優(yōu)良性能。而六方氮化硼是寬帶隙（5.9 eV）類(lèi)石墨烯的2D層狀結(jié)構(gòu)的材料，其本身諸多優(yōu)良性能，例如：高溫穩(wěn)定性、較好的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)熱性能、中等的介電常數(shù)（~4），使其擁有廣泛的應(yīng)用前景；與此同時(shí)其表面的不存在雜質(zhì)電荷、懸空鍵和電荷陷阱及與石墨烯超高的晶格匹配度（大于98%），這些性能決定了其作為場(chǎng)效效應(yīng)器件中的介電層明顯優(yōu)于二氧化硅。
目前對(duì)于h-BN的制備主要是采用化學(xué)氣相沉積的方法（CVD），存在的主要問(wèn)題是制備過(guò)程中單片h-BN的尺寸較小，從而增加了薄膜的晶界，降低了薄膜的質(zhì)量，同時(shí)在石墨烯和h-BN界面處存留雜質(zhì)的存在也降低了其作為介電層在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件中的性能。針對(duì)這些問(wèn)題，化學(xué)所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究人員與哈工大胡平安教授合作，采用CVD的方法制備得到了20μm大小的單片三角形的h-BN（圖2左上），進(jìn)一步生長(zhǎng)得到連續(xù)的薄膜，從而降低薄膜的晶界，提高了薄膜的質(zhì)量。由于h-BN較高的穩(wěn)定性和抗氧化性能，對(duì)利用聚甲基丙烯酸甲酯輔助轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅基底上的薄膜，在空氣中熱處理除去轉(zhuǎn)移過(guò)程中的殘留物，得到了表面干凈的h-BN薄膜。由其組裝成石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)器件（圖2左下），遷移率比不經(jīng)過(guò)熱處理的器件提高了6倍。該研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater., 2014, 26, 1559-1564），并被選為內(nèi)封面（圖2右）。
圖2 三角形氮化硼的AFM照片(左上);由氮化硼、石墨烯制備的場(chǎng)效應(yīng)器件和轉(zhuǎn)移曲線(左下);《先進(jìn)材料》內(nèi)封面(右)
在中國(guó)科學(xué)院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的大力支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)科研人員最近在石墨烯、氮化硼的可控制備和性能研究方面取得重要進(jìn)展，有關(guān)結(jié)果均發(fā)表在Adv. Mater.上�！�
介電層上直接生長(zhǎng)單晶石墨烯�；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）因兼有高質(zhì)量和宏量的優(yōu)點(diǎn)已成為石墨烯制備的最重要的方法之一。但利用這種方法制備的石墨烯一般都需要轉(zhuǎn)移到其它介電層上，才能制備石墨烯器件和電路，轉(zhuǎn)移過(guò)程將帶來(lái)石墨烯破損、褶皺、污染以及材料浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，能否在介電層上直接生長(zhǎng)石墨烯就具有重要的科學(xué)意義和巨大的技術(shù)需求。它與目前硅電子學(xué)的加工工藝兼容，石墨烯不需要轉(zhuǎn)移，可以直接用于器件的制備和組裝。在前期工作中，研究人員發(fā)明了氧輔助法，在二氧化硅絕緣材料上直接制備了石墨烯薄膜（J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 17548）。隨后他們又發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩段化學(xué)氣相沉積方法，控制石墨烯的成核點(diǎn)和晶區(qū)尺寸，實(shí)現(xiàn)了在氮化硅表面上的直接生長(zhǎng)。制備的石墨烯薄膜中石墨烯疇晶的尺寸達(dá)1μm，遷移率在空氣中可以達(dá)到1510 cm2 V-1s-1（Adv. Mater., 2013, 25,992）。但上述兩種方法制備的石墨烯薄膜均為多晶結(jié)構(gòu)。本工作中他們開(kāi)發(fā)了小氣流、長(zhǎng)時(shí)間、在接近平衡態(tài)條件下的沉積方法，在多種絕緣基底上實(shí)現(xiàn)了微米尺度石墨烯單晶的非金屬催化生長(zhǎng)和可控制備。最大石墨烯單晶尺寸達(dá)11微米（圖1左），是文獻(xiàn)中報(bào)道的在氮化硼基底生長(zhǎng)的石墨烯單晶尺寸的30倍。這種石墨烯單晶具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，并且表面干凈、無(wú)褶皺、無(wú)破損。由它制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的遷移率超過(guò)5000 cm2 V-1s-1。該研究成功地實(shí)踐了中華名言“慢工出細(xì)活”，即在小氣流、接近平衡態(tài)的條件下，由甲烷分解的碳原子有充足的時(shí)間重新自組裝成單晶石墨烯。該研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上(Adv. Mater., 2014, 1348-1353)，并被選為內(nèi)封底（圖1右）。
圖1 單晶石墨烯AFM照片（左）和《先進(jìn)材料》內(nèi)封底（右）
具有大疇晶尺寸的六方氮化硼（h-BN）單層薄膜的制備。近年來(lái)石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面的研究引起了人們的廣泛關(guān)注，其場(chǎng)效應(yīng)器件主要是以二氧化硅/硅為基底進(jìn)行組裝，該類(lèi)器件由于二氧化硅表面的雜質(zhì)引起的電荷散射、表面的懸空鍵和電荷陷阱的存在，從而無(wú)法充分展示石墨烯本身的優(yōu)良性能。而六方氮化硼是寬帶隙（5.9 eV）類(lèi)石墨烯的2D層狀結(jié)構(gòu)的材料，其本身諸多優(yōu)良性能，例如：高溫穩(wěn)定性、較好的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)熱性能、中等的介電常數(shù)（~4），使其擁有廣泛的應(yīng)用前景；與此同時(shí)其表面的不存在雜質(zhì)電荷、懸空鍵和電荷陷阱及與石墨烯超高的晶格匹配度（大于98%），這些性能決定了其作為場(chǎng)效效應(yīng)器件中的介電層明顯優(yōu)于二氧化硅。
目前對(duì)于h-BN的制備主要是采用化學(xué)氣相沉積的方法（CVD），存在的主要問(wèn)題是制備過(guò)程中單片h-BN的尺寸較小，從而增加了薄膜的晶界，降低了薄膜的質(zhì)量，同時(shí)在石墨烯和h-BN界面處存留雜質(zhì)的存在也降低了其作為介電層在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件中的性能。針對(duì)這些問(wèn)題，化學(xué)所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究人員與哈工大胡平安教授合作，采用CVD的方法制備得到了20μm大小的單片三角形的h-BN（圖2左上），進(jìn)一步生長(zhǎng)得到連續(xù)的薄膜，從而降低薄膜的晶界，提高了薄膜的質(zhì)量。由于h-BN較高的穩(wěn)定性和抗氧化性能，對(duì)利用聚甲基丙烯酸甲酯輔助轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅基底上的薄膜，在空氣中熱處理除去轉(zhuǎn)移過(guò)程中的殘留物，得到了表面干凈的h-BN薄膜。由其組裝成石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)器件（圖2左下），遷移率比不經(jīng)過(guò)熱處理的器件提高了6倍。該研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater., 2014, 26, 1559-1564），并被選為內(nèi)封面（圖2右）。
圖2 三角形氮化硼的AFM照片(左上);由氮化硼、石墨烯制備的場(chǎng)效應(yīng)器件和轉(zhuǎn)移曲線(左下);《先進(jìn)材料》內(nèi)封面(右)
