原位生长+氢刻蚀：石墨烯纳米带阵列的快速、高质量制备方法 | NSR

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最近，中国科学院化学研究所于贵课题组和清华大学徐志平课题组合作，在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，报道了一种快速、高质量制备石墨烯纳米带阵列的方法：以液态金属为催化基底，通过化学气相沉积方法原位生长石墨烯薄膜，同时将氢气流速控制在相对微量的状态，引入梳状的氢刻蚀行为，从而获得大面积、高质量的石墨烯纳米带阵列。

硅基晶体管的集成正在接近工艺物理的极限，而具有超高载流子迁移率的石墨烯有望成为下一代主流芯片材料。尤其是，石墨烯纳米带中存在由量子效应引入的带隙，具有独特的电学性能，可以克服石墨烯本身半金属特质带来的不便，更适用于集成电路的制造。

然而，快速、大规模、低成本制备高质量石墨烯纳米带的方法还有待开发。

在这项工作中，研究者调控化学气相沉积过程中的生长参数，直接在液态金属表面原位生长出大面积、高质量的石墨烯纳米带阵列。研究表明，将氢气的流速控制在一个相对微量的状态，同时以液态金属作为催化基底，可以引入一种新型的梳状刻蚀行为，来调控石墨烯的生长（见下图）。

石墨烯薄膜上形成的梳状刻蚀图案

实验发现，利用梳状刻蚀控制石墨烯的生长，可以将传统的薄膜生长转化为准一维的线性生长，从而直接制备高质量、大面积的石墨烯纳米带阵列。优化生长条件，可以将石墨烯纳米带的宽度缩小至8 纳米，且长度大于3 微米。更重要的是，通过原位生长的方式，石墨烯纳米带的边缘光滑，晶格结构完整，缺陷少（见下图）。另外, 石墨烯纳米带阵列中每根条带的晶格排列都保持一致。

通过梳状刻蚀制备的石墨烯纳米带：(a) 大面积石墨烯纳米带阵列，(b) 具有大纵横比的超窄石墨烯纳米带，(c) 石墨烯纳米带的拉曼光谱，(d) 石墨烯纳米带的原子分辨横向力图。

此外，研究者还通过第一性原理计算，证实了氢流速对石墨烯纳米带制备过程的影响，并结合实验推论出石墨烯纳米带的生长机理。

这些研究成果简化了石墨烯纳米带阵列的制备工艺，为石墨烯的商业化运用提供了强有力的支持。此项工作得到国家自然科学基金委和中科院战略性先导B科技专项的支持。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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