高质量石墨烯在介电衬底上的直接化学气相沉积生长是一项巨大的挑战。石墨烯在电介质上的生长总是受到成核密度高和质量差的问题。在此，提出了一种预熔化衬底促进的选择性蚀刻 （PSE） 策略。预熔化的衬底可以促进电荷从衬底转移到石墨烯结构域附近的原子核，从而促进 CO2 蚀刻剂与原子核之间的反应。因此，PSE 策略可以实现对在石墨烯结构域附近形成的原子核的选择性刻蚀，从而在玻璃纤维上析出具有 ∼1 μm 均匀结构域尺寸和 ∼0.13 ID/IG 比的高质量石墨烯，在无金属辅助的情况下在非催化衬底上生长的石墨烯中实现了最大的结构畴尺寸和最低的缺陷密度。与没有 PSE 策略制造的石墨烯相比，石墨烯的质量大大提高，作为电加热器使用时，导电性显著提高了 3 倍，工作寿命延长了 7 倍。
 
  
图1. PSE 策略的设计和理论研究。（a） PSE 策略示意图。（b） 活性炭种类 （CH₃） 在固体和预熔化基材上的扩散屏障。（c） 石墨烯生长在固体和预熔化基板上的 SEM 图像。生长条件：∼1100 °C，大气压，CH₄/H₂ = 7：100 sccm，∼6 小时。（d） 石墨烯结构域和细胞核模型的示意图。（e） 面板 （d） 中 CO₂ 蚀刻结构 I 和 IV 在固体和预熔化基材上的能垒。（f） 在固体和预熔化表面上，图 （e） 中结构 IV 的原子核与衬底之间以及原子核与 CO₂ 之间的电荷密度差 （CDD），其中绿色和黄色区域分别表示电子耗尽和积累。（g） 分别在预熔化和固体表面上进行增强和有限电荷转移的示意图。
 
 

图2. 石墨烯与 PSE 策略一起生长。（a） 用不同的 C/H 比和固定 CO₂ 制备的玻璃纤维和 GGFF 的照片。生长条件：∼1100 °C，大气压，CO₂ = 4 sccm，∼8 h。（b） 面板 （a） 中玻璃纤维和 GGFF 的拉曼光谱。（c） graphene@PSE 和 graphene@Con 的拉曼光谱。（d） graphene@PSE的 SEM 图像显示畴大小为 ∼1 μm。（e） 单层比例为 ∼98% 的石墨烯的 AFM 图像。插图：图 （e） 中石墨烯的层数分布。面板生长条件 （c-e）：∼1100 °C，大气压，∼8 小时，PSE 策略：CH₄/H₂/CO₂ = 10：100：4 sccm;常规策略：CH₄/H₂ = 6：100 sccm。（f） 在我们的工作中获得的石墨烯的缺陷密度和畴大小的统计数据，以及通过其他报道的方法在非金属衬底上获得的缺陷密度和畴大小的统计数据。
 
 

图3. PSE 策略中石墨烯的生长行为。在 （a） ∼4 h、（b） ∼6 h 和 （c） ∼8 h 的生长时间获得的石墨烯结构域的 SEM 图像。生长条件：∼1100 °C，大气压，CH4/H2/CO2 = 10：100：4 sccm。（d） 石墨烯畴大小的成核密度和 CV 随生长时间的演变。（e） 碳同位素标记的石墨烯生长示意图。（f） 使用碳同位素标记技术生长的石墨烯的 SEM 图像。生长条件：∼1100 °C，大气压，CH₄/H₂/CO₂ = 10：100：4 sccm，第一个 ∼6 小时 ¹²CH₄，最后 ∼2 小时 ¹³CH₄。（g） ¹²C-石墨烯的 D 波段强度在 1330-1370 cm^-1 的波数范围内和 （h） ¹³C-石墨烯在 1275-1315 cm^-1 的波数范围内的强度的拉曼映射。（i） 在没有 CO₂ 辅助的预熔衬底上生长的石墨烯的畴尺寸统计结果，在 CO₂ 辅助下在固体衬底上生长，以及在 CO₂ 辅助下在预熔衬底上生长的 PSE 策略的统计结果。插图：对应的 SEM 图像。生长条件：∼1100 °C，大气压，∼6 h，CO₂ 辅助的固体基质和 PSE 策略：CH₄/H₂/CO₂ = 12：100：4 sccm;无 CO₂ 辅助的预熔基材：CH₄/H₂ = 7：100 sccm。（j） PSE 策略中石墨烯生长机制的示意图。
 
 

图4. 石墨烯层和 GGFF 柔性电加热器的导电性。（a） 用 PSE 和常规策略制造的石墨烯层的电导率。在 PSE 和传统策略中制造的 GGFF 的 （b） 柔韧性差异和 （c） 测试的弯曲刚度示意图。（d） GGFF 柔性电加热器示意图。（e） GGFF 柔性电加热器的红外图像。（g） GGFF 加热器在不同功率密度下的温度曲线，以及 （f） 相应的饱和温度和加热速率。（h） 具有不同石墨烯层数的 GGFF 加热器的工作寿命和 （i） 老化测试。
 
       相关研究成果由北京石墨烯研究所Yue Qi和北京大学Zhongfan Liu课题组2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c20313)上。原文：Premelted-Substrate-Promoted Selective Etching Strategy Realizing CVD Growth of High-Quality Graphene on Dielectric Substrates

转自《石墨烯研究》公众号