在实际应用中，绝缘衬底上直接合成石墨烯是非常重要的。这里，提出了一种在石英上制备石墨烯的新方法，该方法能够在不涉及金属的情况下，直接生长高质量和大规模的石墨烯薄膜。由于碳物种的低催化活性和缓慢的扩散速率，石墨烯在绝缘衬底上的生长速率通常非常慢。因此，需要添加额外的催化剂。这里利用高缺陷石墨烯薄膜代替金属元素（如铜、镍和镓），用作甲烷分解的催化剂。该方法的关键特征是碳种类本身被用作制备石墨烯的催化剂，这完全避免了其他元素的污染。结果显示，与传统的CVD方法相比，该石墨烯薄膜的生长速率显著增加。通过一系列实验验证了该石墨烯玻璃的优异质量，该过程无需任何转移过程。此外，利用第一性原理计算探索了甲烷分解的能垒，进一步证实了高缺陷石墨烯薄膜的催化行为。
 
  
Figure 1. (a)化学气相沉积法实验过程；（b）对比实验设计示意图；(c)高缺陷石墨烯片的拉曼光谱；(d)催化板和衬底之间窄间隙的SEM图像。
 
 
Figure 2. DG-CVD法与常规法合成石墨烯薄膜的比较。（a-b）石英衬底上石墨烯的拉曼光谱。（c-d）D峰和G峰强度比的拉曼图谱。（e-f）2D峰和G峰强度比的拉曼图谱。
 
  
Figure 3. 在石英衬底上生长的石墨烯薄膜的形态表征。（a-c）通过DG-CVD过程在不同生长时间获得的石墨烯的SEM图(1130℃)。（d-e）通过DG-CVD过程在不同生长时间获得的石墨烯的SEM图(1170℃) 。（f）常规方法生长的石墨烯的SEM图（1170℃，60min）。
 
 
Figure 4. 石墨烯玻璃的表征。(a-b)单层的HRTEM图像，比例尺为5 nm。（c）生长在石英上的石墨烯玻璃的C 1s XPS光谱。(d)不同H2流量下，DG-CVD过程之前（顶部）和之后的石墨烯玻璃照片。
 
 
Figure 5. DG-CVD法合成石墨烯玻璃的应用。（a）透明加热装置的表面温度测量（输入电压：25V）。（b）原始石英玻璃和石墨烯玻璃接触角和透光率的相关性。
  
        该研究工作由北京大学Ziqiang Zhao课题组于2021年发表在Carbon期刊上。原文：Highly-Defective Graphene as a Metal-Free Catalyst for Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene Glass。

转自《石墨烯研究》公众号