控制化学气相沉积石墨烯的取向、边缘几何形状和厚度

来自牛津大学材料系的妮可·格罗伯特教授和艾德里安·T·默多克与来自azonnetwork的尼克·吉尔伯特就他们最近的研究进行了交谈欧洲杯足球竞彩控制化学气相沉积石墨烯的取向、边缘几何形状和厚度。

制造无缺陷石墨烯薄片据说是这种材料大规模商业化的主要“障碍”之一……但为什么形成大的无缺陷石墨烯薄片如此重要呢?

在过去的几年里，石墨烯获得了惊人的关注，以至于现在它被普遍认为是一种有望改变21世纪的神奇材料。然而，所有这些兴趣，以及由此延伸的商业化潜力，都源于石墨烯的独特特性;它只有一个原子的厚度，非常强，非常灵活，是一个很好的电和热导体，等等。问题是，目前还没有一种方法可以生产出大面积的高质量石墨烯薄片，并真正展现出其著名的最佳性能!在实践中，即使采用化学气相沉积法生长的最好的大面积石墨烯，也将是具有许多晶界和缺陷的多晶片。这些缺陷有害地影响了薄片的性能，包括机械强度和电传输，从而降低了石墨烯在许多应用中的适用性。因此，创造无缺陷石墨烯的目标是生产最高质量的材料，然后可以方便地在尽可能多的应用中使用。

石墨烯中最常见的缺陷类型是什么?

Firstly, if considering defects in a perfect graphene lattice, there are a number of scenarios that can produce defects, including atomic vacancies (single or multiple carbon atoms missing), restructuring of the graphene network (e.g. Stone-Wales defects, with pentagons and heptagons introduced to the hexagonal lattice), adatoms, heteroatoms, and edge states. Of course, it is worth mentioning that in some scenarios these defects could be beneficial, for example, the addition of heteroatoms into the graphene network could lead towards electrical doping of the graphene sheet, and will also provide localised sites for increased chemical reactivity.

然而，如果我们考虑一个大区域CVD石墨烯片，而上述缺陷将存在于晶界处，由于铜表面上的石墨烯片的覆盖率不一致，并且存在多层的缺陷，也可能存在缺陷。

这些缺陷发生的主要原因是什么？

答案是相对直接的，克服这些缺陷的解决方案是棘手的，但让我介绍Adrian T Murdock，我的博士学生，他在这个项目中发挥了关键作用，并找到了解决这些问题的几个答案。

缺陷的产生是由于CVD形成的方式。虽然人们常说，可以在铜箔上生产大面积的CVD石墨烯薄片，但这样的薄片并不是一下子就形成的。相反，许多被称为畴的小石墨烯薄片在铜表面成核并生长成单原子厚的层。最终这些域合并在一起，使整个铜箔完全被多晶石墨烯薄膜覆盖。晶界将在相邻畴合并的地方形成，而大多数缺陷将在这些地方产生。当然，生长过程是不完美的，因此在个别领域可能存在一些缺陷。

雷尼肖inVia拉曼系统如何帮助您识别和表征缺陷?

Renishaw inVia Raman为铜表面石墨烯的拉曼光谱的大面积绘制提供了机会。石墨烯的拉曼光谱是众所周知的，特征峰的位置和强度提供了样品质量的信息，包括层数、缺陷和应变的存在。公平地说，InVia系统是最先进的，主要是因为它的灵活性;它允许从平方英寸区域到亚微米的拉曼映射，因此可以提供样品质量的总体概况以及单个域的详细分析。

图像1。用于CVD石墨烯样品的2D石墨烯带宽的拉曼地图。该图像说明了样品区域上的石墨烯层数的变化，具有比较深的红色区域由更厚的材料组成的亮红色区域。

关于石墨烯的形成过程和石墨烯薄膜的性质，拉曼分析还提供了哪些其他信息?

通过将拉曼映射与铜表面的晶体取向的地图相关联（通过电子反散衍射获得），我们还能够观察在低压条件下生长的样品在不同铜颗粒上的石墨烯厚度的变化。

生产石墨烯的主要技术是什么?

有许多不同的技术，包括微机械剥离(透明胶带法)，石墨的化学加工，SiC上的外延生长，以及金属表面的生长，通常通过化学气相沉积。每种技术都有其优缺点。例如，微机械剥离可以产生高质量的石墨烯薄片，但本质上仅限于微米大小的样品。另外，在选定的溶剂中通过超声波对石墨进行化学处理，或生产还原氧化石墨烯，会产生大量的石墨烯溶液或粉末，适合用作油墨和染料，或与复合材料结合，但在生产大面积单层薄板方面的机会有限。

您的研究目前专注于使用CVD生长石墨烯 - 这种方法对上述其他技术的主要好处是什么？

金属表面上的化学气相沉积显示了适合用作透明，导电层，表面涂层或集成到电子设备的透明，导电层，表面涂层或集成到电子器件中的大面积石墨烯的工业规模生产潜力。该技术使用相对便宜的金属箔，通常铜，作为基材，并通过控制反应气体混合物，可以仔细控制所生产的石墨烯的质量和类型。因此，制备的石墨烯片的尺寸仅限于所用的金属箔的尺寸，以及合适的反应室以进行CVD生长。

铜基材如何帮助石墨烯的生长？还可以使用哪些其他基材？

铜衬底是甲烷分解和石墨烯层生长的催化剂和衬底。石墨烯的生长也在许多其他类型的过渡金属基底上得到了证实，如镍、铂、铱、钌等。铜的主要优势,除了可用性和低成本,是金属中碳的低溶解度,这意味着控制石墨烯层的厚度明显更容易与其他金属相比,大量的碳可以溶解,然后隔离期间表面冷却(例如镍)。

CVD方法是如何有利于石墨烯商业化相对于上述技术的商业化？

CVD技术是制备大面积石墨烯薄片的首选技术。诚然，SiC上的生长也显示出生产大面积薄片的一些潜力，但是，基质的成本和所需的反应条件更加昂贵。CVD技术似乎是最具成本效益的，而且，由于衬底和反应系统的性质，可以很容易地扩大到工业水平的生产。我想提到的生产大量的石墨烯粉末通过化学过程无疑将实现工业大量(或取得),在复合材料是否适合合并或多层导电表面涂层,然而这是一个非常不同类型的石墨烯与CVD我们可以生产。此外，重要的是要强调，石墨烯的整体“外观”会随着生产方法的不同而变化。虽然它仍然是石墨烯，但并不一定适用于所有应用。因此，每一种石墨烯应用都需要针对特定应用或类型的定制生产技术，例如电子设备与薄膜复合材料——这一事实经常被媒体忽视，但具有根本性的重要性，因此必须更强烈地指出这一点。欧洲杯足球竞彩

关于石墨烯薄片在沉积过程中如何控制取向，你能给我们更多的了解吗?

我们最近发表的论文的关键发现是，石墨烯在铜上的生长不是完全随机的，事实上，石墨烯在铜表面的取向实际上依赖于铜的晶体取向;外延关系似乎比研究人员之前认为的要多。我们发现，在Cu(111)和Cu(101)上，六方石墨烯畴呈锯齿状排列，平行于一个特定的方向，Cu<101>，而在Cu(001)上，畴向两个方向排列。有了这些知识，我们现在可以推荐特定的铜表面，即Cu(111)和Cu(101)，这有利于生产由排列畴组成的大面积石墨烯薄片。

您的研究小组下一步将重点关注哪些领域?

我的研究的重点是新型碳和非碳0d，1d和2D纳米材料的合成，加工和表征。欧洲杯足球竞彩我们使用这些纳米材料作为开发新型多欧洲杯足球竞彩功能等级纳米结构的构建块，并且调查旨在在保健部门发现的应用中的实施以及它们在能量和结构应用中的应用。受控制造纳米材料的生产路线包括化学气相沉积、模板路线、电弧放电和湿化学技术。欧洲杯足球竞彩为了阐明单个生长参数对受控地层的重要性，以及研究这些新型纳米材料的结构性能关系，先进的原位表征技术起着至关重要的作用。欧洲杯足球竞彩

石墨烯是这些材料中的一员，在我们研究的总体战略中发挥着重要作欧洲杯足球竞彩用。因此，我们目前有许多有趣的课题正在研究中，既在这个发现的基础上发展，也在继续我们即将发表的一些其他工作。让我举几个例子。我们正在努力生产由排列和不排列畴组成的大面积石墨烯薄片，并研究这些薄膜的性能。我们也在研究大畴的生长，最近已经生产了0.5 mm的单晶畴。我们希望能够变得更大。另一个课题是在石墨烯薄片中掺杂杂原子以控制其电性能。我们最近实现了氮掺杂石墨烯的原子分辨率STEM成像，并旨在研究这些样品的电学性质，同时也尝试掺杂硼和其他元素。

与石墨烯未来潜在应用相关的兴趣和商业专利申请激增;你认为为什么会有这么多的兴趣，你认为这种程度的材料投资是合理的吗?

正如前面提到的，人们对石墨烯如此感兴趣的原因在于其不可思议的特性，以及它在未来可能被集成的潜在应用。一旦开始考虑这些特性，就可以很快设想在广泛领域中的许多应用。因此，我认为投资的水平是合理的。将基础研究应用到满足现代社会需求的应用中需要时间和金钱——往往比人们可能认为或希望花费的多得多。虽然仍然有争议的石墨烯是否会履行一些最初的炒作,以及是否将利用其所有不可思议的属性,我相信不会很久直到某种形式集成到石墨烯上可用的产品和市场,并从那里我预见到石墨烯会发现无数应用程序。从这个意义上说，投资水平是合理的，也需要将石墨烯提升到下一个水平。然而，必须指出的是，还有许多其他学科(“石墨烯”)也同样重要，只是没有得到同样多的宣传。我想在正确的时间出现在正确的地点是有一定的因素的。这并不总是100%公平的。

欧洲委员会突出了石墨烯，他已经承诺10亿欧元发展材料作为欧洲第一个“未来新兴科技”计划的一部分 - 这将如何影响石墨烯研究的方向？

这笔资金为欧洲研究人员提供了一个令人惊叹的机会，让他们齐心协力，影响石墨烯在全球的发展。在一个像石墨烯一样备受关注的领域，成功的关键在于有指导的调查和金融投资。石墨烯提案强调了未来研究的若干方向，通过提供大量资金，我相信在未来几年，你们将看到一个可衡量的结果，使欧洲处于石墨烯竞赛的前沿。欧洲是一个鼓舞人心的工作环境，我认为“石墨烯”可以成为欧洲科学和未来投资的“榜样”，将蓝天研究带到市场。欧洲杯线上买球我们不能忘记:没有对基础研究或蓝天研究的投资，就没有应用科学。欧洲杯线上买球

在石墨烯商业化的时间表上，下一步的关键步骤是什么?

如果单独工作，学术界和工业界都不会取得很大进展。石墨烯是一个完美的例子，与工业的密切合作和发展是克服死亡谷的关键。

如果人们想了解一下你正在进行的研究 - 最好的地方是哪里？

纳米材料设计组的欧洲杯足球竞彩网站可以在http://www-grobert.欧洲杯足球竞彩materials.ox.ac.uk

关于妮可·格罗伯特教授

Nicole Grobert教授的研究小组专注于新型碳基和非碳基纳米材料的合成、加工和表征，包括纳米粒子、纳米管、纳米棒、石墨烯等二维纳米材料。欧洲杯足球竞彩欧洲杯猜球平台此外，还开发和研究了多功能层次纳米结构，以便在保健部门实施和在能源应用中使用。

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关于艾德里安·T·默多克

艾德里安获得澳大利亚科廷大学纳米技术一等荣誉理学学士学位，作欧洲杯线上买球为约翰科廷本科生学者学习。他的荣誉学位论文专注于高分辨率原子力显微镜对一种新型金属有机框架的表征。从2008年到2009年，Adrian在纳米化学研究所担任研究助理，研究脱气系统中油水乳液的基本原理。

2009年，阿德里安被授予英联邦研究生奖学金和克拉德森研究授予，以研究牛津大学的Dphil作为Grobert集团的一部分。Adrian's current research interests include studies on the CVD growth of graphene on metal substrates (e.g Cu, Pt), in-situ heteroatomic doping of CVD graphene using liquid and gaseous precursors, and state-of-the-art microscopy and characterisation of graphene and related carbon and inorganic nanomaterials.