【人物与科研】中科院化学所刘云圻院士课题组Adv. Mater.：大面积电学均匀纯单层单晶石墨烯

导语

大面积高质量石墨烯的制备一直是二维材料领域关注的热点。通过多点成核、取向生长、无缝拼接成大面积的单晶薄膜材料被证明是一种有效的方法，然而，大面积化学气相沉积生长过程中普遍存在多层石墨烯孤岛，如何能够实现在大面积制备过程中得到纯的单层石墨烯一直是领域内不容忽视的难点。近日，中国科学院化学研究所刘云圻院士课题组在该研究领域取得了新进展（Adv. Mater. 2021, 2108608. DOI: 10.1002/adma.202108608）。

刘云圻院士简介

刘云圻研究员，中国科学院院士、第三世界科学院院士、物理化学家。1949年2月生于江苏省靖江市。1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。截止到目前，共发表科研论文700余篇，他人引用4万余次，h因子大于90，获授权中国发明专利80项，出版专著一部及19章节。2007、2016、2019年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014-2019年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。

前沿科研成果

大面积电学均匀纯单层单晶石墨烯

中科院化学所刘云圻院士课题组相关科研人员开发了一种循环电化学抛光结合高温退火的新方法将商用铜箔有效转化为大尺寸单晶Cu(111)金属箔，并对所得大尺寸金属Cu(111)箔的表面形貌和晶面结构做了一系列的表征。

图1. 循环抛光退火法示意图及大尺寸Cu(111)金属箔的结构和晶面表征

（来源：Adv. Mater.）

此外，为深入理解过程背后的演变机制，提供了晶粒长大与晶界迁移的直接实验观察和证据。

图2. 晶界迁移与晶粒长大的实验观察

（来源：Adv. Mater.）

基于已制备的大尺寸Cu(111)基底，采用两步碳源浓度供给的自下而上选择性刻蚀的方法实现了利用化学气相沉积法制备大面积的纯单层的石墨烯。

图3. 自下而上选择刻蚀示意图及实验证据

（来源：Adv. Mater.）

所得实验结果与密度泛函理论（DFT）计算和相场模型模拟的选择性刻蚀过程吻合较好。

图4. 基于密度泛函理论计算的生长过程和相场模型模拟选择性刻蚀过程的理论计算结果

（来源：Adv. Mater.）

太赫兹时域光谱技术是一种无损的、能够有效表征石墨烯大面积电学性质的表征技术。对所得样品进行太赫兹时域光谱表征，结果表明样品具有较高载流子迁移率且大面积电学均匀性较好，薄膜平均电导率为2.8 mS，大面积平均载流子迁移率为6903 cm² V^-1 s^-1。

图5. 大面积纯单层石墨烯与多层对比及太赫兹时域光谱测量结果比较

（来源：Adv. Mater.）

总结：

作者开发了一种“循环抛光退火”的新方法制备大尺寸单晶Cu(111) 基底，采用了两步碳源浓度供给的“自下而上选择性刻蚀”方法制备了大面积纯单层石墨烯；利用太赫兹时域光谱技术对大面积单层石墨烯进行了电学均匀性的表征。该工作以“Bottom-Up-Etching-Mediated Synthesis of Large-Scale Pure Monolayer Graphene on Cyclic-Polishing-Annealed Cu(111)”为题发表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2021, 2108608. DOI: 10.1002/adma.202108608)，该论文第一作者为国科大博士生姚文乾，共同第一作者为国科大硕士毕业生张家宁，通讯作者为武斌研究员、董际臣研究员和刘云圻院士（论文作者：Wenqian Yao, Jianing Zhang, Jie Ji, He Yang, Binbin Zhou, Xin Chen, Peter Bøggild, Peter U. Jepsen, Jilin Tang, Fuyi Wang, Li Zhang, Jiahui Liu, Bin Wu, Jichen Dong, and Yunqi Liu）。

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