中科院物理研究所: 毫米級(jí)高度有序連續(xù)單晶石墨烯制備成功
2009-01-12 來(lái)源：中國(guó)聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：單晶石墨烯
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高鴻鈞研究組成功制備毫米級(jí)高度有序的、連續(xù)的、單晶的石墨烯。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2008年12月30 日的Adv. Mater. 上。
該研究組博士生潘毅等人通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件獲得了理想的毫米級(jí)外延石墨烯二維單晶材料，并以詳盡的實(shí)驗(yàn)與理論研究對(duì)此進(jìn)行了證實(shí)。低能電子衍射(LEED)結(jié)果證實(shí)了石墨烯樣品的毫米級(jí)的高度有序性。掃描隧道顯微鏡的研究結(jié)果表明石墨烯在襯底表面形成六角排布Moire超結(jié)構(gòu)，高分辨的圖顯示了這種超結(jié)構(gòu)原胞內(nèi)每個(gè)原子的位置， 并且證實(shí)了石墨烯薄膜沿襯底臺(tái)階的連續(xù)性生長(zhǎng)。這種高質(zhì)量的石墨烯二維量子結(jié)構(gòu)的獲得是我國(guó)科學(xué)家在該研究領(lǐng)域中獨(dú)具特色的工作，為石墨烯基礎(chǔ)問(wèn)題的深入研究及其進(jìn)一步在器件方面的應(yīng)用提供了一種新方法和理想體系。
近年來(lái)，高鴻鈞研究組在低維納米量子結(jié)構(gòu)的探索方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。在高質(zhì)量單晶石墨烯薄膜的生長(zhǎng)制備方面，他們發(fā)現(xiàn)含碳的釕單晶在超高真空環(huán)境下經(jīng)高溫退火處理可以使碳元素向晶體表面偏析形成外延單層石墨烯薄膜。其初步結(jié)果于2007年報(bào)道(Chin. Phys. 2007, 16, 3151), 是國(guó)際上最早使用該方法制備石墨烯薄膜的兩個(gè)研究組之一，得到國(guó)際同行的關(guān)注。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，“973”項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的支持。
背景資料：
Graphene(石墨單層材料)是由單層sp2碳原子組成的六方蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)，由英國(guó)科學(xué)家于2004年首次報(bào)道。它可以包裹起來(lái)形成零維的富勒烯，卷起來(lái)形成一維的納米碳管，層層堆積形成三維的石墨。Graphene自發(fā)現(xiàn)以來(lái)短時(shí)間內(nèi)即在國(guó)外成為研究的熱點(diǎn)。自2004年10月Science雜志發(fā)表第一篇有關(guān)Graphene的工作報(bào)道以后，發(fā)表在Science和Nature系列上的相關(guān)論文就超過(guò)了80篇；其中在2008一年之內(nèi)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science和Nature系列上有30多篇。毋庸置疑，Graphene是繼納米碳管、富勒烯球后的又一重大發(fā)現(xiàn)，它具有眾多優(yōu)良的物理特性、有可能為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一些過(guò)去不能驗(yàn)證的物理規(guī)律提供可能性，并可能蘊(yùn)含重大應(yīng)用前景。
Graphene的廣泛研究是基于其單層樣品的成功制備。過(guò)去幾年典型的制備方法主要有兩種：機(jī)械剝離天然石墨和SiC單晶外延。基于機(jī)械剝離方法制成的樣品，Graphene的室溫Quantum Hall Effect，無(wú)質(zhì)量Dirac fermion型載流子，高達(dá)200,000 cm2/V·s的遷移率等新奇物性相繼被發(fā)現(xiàn)；機(jī)械諧振器、單電子器件、p-n結(jié)等器件原型也被制備出。但是，這種方法固有的低效率高成本，加上天然石墨本身不是完善的單晶結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸通常在幾個(gè)微米以下，導(dǎo)致它不能應(yīng)用于Graphene樣品的大量制備，不能反映理想Graphene的本征物性。高溫分解SiC單晶法外延Graphene是另一種重要方法，這種方法效率較高，但樣品存在大量的缺陷。獲得高質(zhì)量、大尺寸的單晶Graphene材料，對(duì)關(guān)于Graphene 本征物理特性的基礎(chǔ)研究及其在未來(lái)器件中的應(yīng)用，具有強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)性和重要的科學(xué)與技術(shù)上的意義。
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