化學氣相沉積已經成為高質量石墨烯合成的一種有前途的方法。石墨烯的質量，包括缺陷密度、單晶疇的大小和層數，取決于生長條件。主要實驗參數包括溫度、金屬催化劑成分、生長環境和反應室中的氣體動力學。在這里，我們發現即使在相同的生長條件下，簡單地將碳源從甲烷改變為乙烷或乙炔也會產生截然不同的生長模式，從而允許在多晶金屬箔基底上生產類似單晶的石墨烯。這種新的單晶生長機制不需要局部供應碳前體或先引入的特殊單晶催化基質。我們將生長機制中觀察到的差異歸因于由乙烷和乙炔形成的穩定且可移動的二聚體C
2H
x中間物，與由甲烷和丙烷形成的難移動的CH
x和C
3H
x形成對比。
方案1. 產生活性物質(C
2H
x和CH
x)和使用乙烷或甲烷作為前體的石墨烯生長/蝕刻的主要步驟。
圖1. 兩種化學氣相沉積（CVD）石墨烯生長模式的演示:當使用甲烷作為前驅體(a-c)時，石墨烯通過遍布基底的成核顆粒生長；而使用乙烷作為前驅體(d-f)時，石墨烯在前端成核，當箔被限制在狹窄的空間(g-i)中時，成核前端更狹窄(沒有晶種擴散)。垂直箭頭表示氣流方向。前兩個的條件是相同的，即在2型和3型銅/鎳金屬箔上，在1070℃時，分別使用60 sccm的0.1% 甲烷/氬和60 sccm的0.05% 乙烷/氬以及500 sccm的2.5% H
2/ Ar沉積30分鐘。光學圖像在(a，b，d，e，g，h)中，掃描電鏡圖像在(c，f，I)中。
圖2. 說明甲烷(a)和乙烷(b)前體在石墨烯生長中的主要差異:(a)甲烷前體主要產生難移動的CH
x物質，從而使多個石墨烯疇隨機成核和較慢生長；(b)乙烷前體在銅表面產生可移動的C
2H
x物質，其容易移動并結合到石墨烯邊緣，這也允許較低濃度的生長；流動性較差的CH
x物質大多是在蝕刻中由石墨烯邊緣的氫原子生成的。C)中的計算改編自[30]，其表明C
2H
x更穩定，并且它們在Cu(100)上擴散的激活勢壘低于CH
x物質。
圖3. 石墨烯覆蓋的溫度依賴性，晶種的擴散和拉曼數據。石墨烯樣品使用60 sccm的C
2H
6(0.05% Ar)和500 sccm的2.5% H
2/ Ar在3型箔上制備30分鐘，沉積溫度從700℃變化到1090℃，同時保持相同的退火步驟，即在2.5% H
2/ Ar、1090℃下30分鐘。
圖4. (a)用于石墨烯生長的1毫米間隙外殼照片；(b)使用60 sccm的0.05% 乙烷混合物和500 sccm的2.5% H
2/Ar，在3型箔上生長120分鐘的石墨烯的光學圖像；(c)石墨烯前端附近的放大圖像顯示清晰邊緣；(d)氫蝕刻后的前端圖像，顯示石墨烯中的蝕刻孔位于石墨烯邊緣上游狹窄的ca. 0.3±0.1mm帶中；(e)進一步放大的圖像顯示，孔具有拉長的六邊形形狀，并且它們的最長邊緣明顯平行；(f)這些六邊形孔在多個位置的邊緣取向直方圖顯示了三個尖銳的峰，它們以60°分開，對應于單晶狀石墨烯。
相關研究成果由美國新墨西哥州大學化學與生物化學系Dhanraj B. Shinde等人于2021年發表在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。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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