化学气相沉积已经成为高质量石墨烯合成的一种有前途的方法。石墨烯的质量，包括缺陷密度、单晶畴的大小和层数，取决于生长条件。主要实验参数包括温度、金属催化剂成分、生长环境和反应室中的气体动力学。在这里，我们发现即使在相同的生长条件下，简单地将碳源从甲烷改变为乙烷或乙炔也会产生截然不同的生长模式，从而允许在多晶金属箔基底上生产类似单晶的石墨烯。这种新的单晶生长机制不需要局部供应碳前体或先引入的特殊单晶催化基质。我们将生长机制中观察到的差异归因于由乙烷和乙炔形成的稳定且可移动的二聚体C₂H_x中间物，与由甲烷和丙烷形成的难移动的CH_x和C₃H_x形成对比。
 
 
方案1. 产生活性物质(C₂H_x和CH_x)和使用乙烷或甲烷作为前体的石墨烯生长/蚀刻的主要步骤。
 

图1. 两种化学气相沉积（CVD）石墨烯生长模式的演示:当使用甲烷作为前驱体(a-c)时，石墨烯通过遍布基底的成核颗粒生长；而使用乙烷作为前驱体(d-f)时，石墨烯在前端成核，当箔被限制在狭窄的空间(g-i)中时，成核前端更狭窄(没有晶种扩散)。垂直箭头表示气流方向。前两个的条件是相同的，即在2型和3型铜/镍金属箔上，在1070℃时，分别使用60 sccm的0.1% 甲烷/氩和60 sccm的0.05% 乙烷/氩以及500 sccm的2.5% H₂/ Ar沉积30分钟。光学图像在(a，b，d，e，g，h)中，扫描电镜图像在(c，f，I)中。
 
 
图2. 说明甲烷(a)和乙烷(b)前体在石墨烯生长中的主要差异:(a)甲烷前体主要产生难移动的CH_x物质，从而使多个石墨烯畴随机成核和较慢生长；(b)乙烷前体在铜表面产生可移动的C₂H_x物质，其容易移动并结合到石墨烯边缘，这也允许较低浓度的生长；流动性较差的CH_x物质大多是在蚀刻中由石墨烯边缘的氢原子生成的。C)中的计算改编自[30]，其表明C₂H_x更稳定，并且它们在Cu(100)上扩散的激活势垒低于CH_x物质。
 
  
图3. 石墨烯覆盖的温度依赖性，晶种的扩散和拉曼数据。石墨烯样品使用60 sccm的C₂H₆(0.05% Ar)和500 sccm的2.5% H₂/ Ar在3型箔上制备30分钟，沉积温度从700℃变化到1090℃，同时保持相同的退火步骤，即在2.5% H₂/ Ar、1090℃下30分钟。
 
 
图4. (a)用于石墨烯生长的1毫米间隙外壳照片；(b)使用60 sccm的0.05% 乙烷混合物和500 sccm的2.5% H₂/Ar，在3型箔上生长120分钟的石墨烯的光学图像；(c)石墨烯前端附近的放大图像显示清晰边缘；(d)氢蚀刻后的前端图像，显示石墨烯中的蚀刻孔位于石墨烯边缘上游狭窄的ca. 0.3±0.1mm带中；(e)进一步放大的图像显示，孔具有拉长的六边形形状，并且它们的最长边缘明显平行；(f)这些六边形孔在多个位置的边缘取向直方图显示了三个尖锐的峰，它们以60°分开，对应于单晶状石墨烯。

       相关研究成果由美国新墨西哥州大学化学与生物化学系Dhanraj B. Shinde等人于2021年发表在Carbon Trends (https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.10 0 093)上。原文：Unique role of dimeric carbon precursors in graphene growth by chemical vapor deposition。

转自《石墨烯杂志》公众号