在金屬基底上含碳前驅體的化學氣相沉積是目前大規模合成大面積高質量石墨烯薄膜最有前景的方法。然而，所得到的薄膜中通常存在一些缺陷：晶界、有附加層的區域(附著層)以及褶皺或折疊，所有這些都會降低石墨烯在各種應用中的性能。關于消除晶界和附著層的方法已有許多研究，但對石墨烯褶皺的研究較少。在這里，我們研究了由乙烯前體在單晶Cu-Ni(111)薄片上生長的石墨烯薄膜的褶皺/折疊過程。我們確定了一個臨界生長溫度(1030 K)，超過這個溫度，在隨后的冷卻過程中將自然形成褶皺。具體而言，在冷卻過程中由于熱收縮而積累的壓應力通過在溫度約1030 K時箔片中突然開始的階躍聚束而釋放，從而觸發垂直于階躍邊緣方向的石墨烯褶皺的形成。通過將初始生長溫度限制在1000 K至1030 K之間，我們可以生產出高質量且無褶皺的大面積單晶單層石墨烯薄膜。得到的薄膜表現出高度均勻的傳輸特性：由這些薄膜制備的場效應晶體管顯示出空穴和電子在平均室溫時載流子遷移率約為(7.0±1.0)×10
3平方厘米每伏特每秒。該過程也是可擴展的，允許在平行堆疊的多個薄片上同時生長相同質量的石墨烯。在將石墨烯薄膜從薄片上電化學轉移后，薄片本身基本上可以無限地重復使用，以進一步生成石墨烯。
圖1. 通過循環實驗研究石墨烯褶皺形成的機理。a–c,在不同的中間溫度循環實驗后Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM圖像：(a)920 K、(b)1020 K和(c)1120 K。d, 1320 K時石墨烯生長后立即冷卻至1020 K并穩定10分鐘，Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM圖像，但沒有重新加熱至生長溫度以進行再生。右上角區域顯示殘余褶皺放大的SEM圖像。比例尺，1μm。e,褶皺的可能機制示意圖。
圖2. 褶皺演化是生長溫度的函數。a–c,在鎳含量為20.0 %的Cu–Ni (111)合金箔上不同溫度下生長的無附加層石墨烯的SEM圖像: (a)1320 K、(b)1170 K和(c)1030 K。d–f,對應石墨烯薄膜的AFM高度圖像。右上角區域顯示了圖d–f中標記的區域從−10.0°至10°的有關AFM的相位圖像。g, 在不同溫度下Cu–Ni(111)合金箔上生長的石墨烯薄膜獲得的G-帶與2D-帶頻率曲線圖。藍點標記為0.0%(頻率ω
G在1582 cm
-1，ω
2D在2692 cm
-1)是文獻中報告的無應變和無摻雜SLG的值。斜率為2.7的虛線表示雙軸應變ε下的電中性石墨烯，?ω
G/?ε=−56 cm
-1/%應變， ?ω
2D/?ε=−155 cm
-1/%應變。
圖3. 無褶皺石墨烯薄膜的特性。a, b,在Cu–Ni(111)合金箔上生長的無褶皺無疊層石墨烯薄膜然后轉移到300 nm厚的SiO
2-on-Si晶片上的(a)光學圖像和(b)I
D/I
G強度比的拉曼圖。c,拉曼光譜圖取自b中標記為1–6的點。d, SLG無褶皺薄膜的原子分辨率TEM圖像。e,Cu–Ni(111)箔上無褶皺石墨烯薄膜的LEED圖（光束尺寸為1.8mm）。f, 200 SAED的方向分布直方圖。g,一個6英寸（15 cm）石英管CVD爐膛，用于評估單晶Cu–Ni(111)合金箔上單晶無褶皺石墨烯薄膜的規模生產。h,將五片4cm×7cm Cu–Ni(111)合金箔懸掛在石英支架上。i,在g圖中6英寸CVD系統里生長然后轉移到4英寸（10 cm）SiO
2-on-Si晶片上（薄膜為較暗的矩形）的4cm×7cm無褶皺單晶石墨烯薄膜的照片。
圖4. 無褶皺石墨烯薄膜的傳輸特性。a–c,典型I
DS與V
G-V
Dirac用GFETs從三個不同角度測量的傳輸特性，(a)−120°、(b)0°和(c)120°，在隨機方向上選擇0°。右側插圖顯示了R
tot與V
G-V
Dirac的結果，藍線和紅線分別為電壓在−2.0到0.0 V范圍內和0.0到2.0V范圍內，使用已報導的遷移率擬合模型的擬合。頂部圖像是GFET設備的照片。d, 從GFETs中導出遷移率平均值，每種情況下從10個設備中取平均值。
相關研究成果由韓國蔚山基礎科學研究所多維碳材料中心Meihui Wang等人于2021年發表在Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-021-03753-3)上。原文：Single-crystal, large-area, fold-free monolayer graphene。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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