近日，由南京大學物理學院高力波教授團隊領銜，協同學院四個青年學者團隊，以“質子輔助生長超平整石墨烯薄膜”為題，在《自然》雜志上發表了將質子輔助生長用于高質量石墨烯制備的研究成果。這項工作，不僅探索出了一種可控生長超平整石墨烯薄膜的方法，更為重要的是，該團隊還發現了這種生長方法的內在機制，即質子輔助，這種方法有望推廣到柔性電子學、高頻晶體管等更多重要的研究領域。
據悉，該成果所涉及的化學氣相沉積方法（CVD）生長石墨烯，是目前制備大面積、高品質單晶晶粒或者薄膜的最主要方法。然而，由于石墨烯與基質材料能夠產生強耦合作用，使得石墨烯在生長過程中會形成褶皺。這一現象嚴重限制了大尺度均一薄膜的制備，阻礙著二維材料的進一步發展應用。
“CVD石墨烯中的褶皺是影響其物性的重要瓶頸。”高力波告訴記者，CVD石墨烯中的褶皺，來源于石墨烯與生長基體的熱脹率差異，石墨烯生長于銅或者鉑等生長基體，生長溫度多在600度以上，生長完成后降至室溫便引起石墨烯的褶皺。褶皺的存在，會影響石墨烯的優良特性，然而，究竟在多大程度上能夠影響其性能，并沒有完整的對比數據。“如何徹底地消除褶皺，并制備出超平整的石墨烯薄膜，逐漸成為其品質跨越式提升的重點和難點。”高力波說道。
研究團隊嘗試過多種消除褶皺的方法，但效果都不盡如人意，僅剩下減弱石墨烯與生長基體之間耦合作用的唯一途徑。在總結大量實驗的基礎上，高力波團隊發現，高比例的熱氫氣（H2），會在一定程度上，弱化石墨烯與生長基體之間的耦合作用。同時，研究人員通過理論模擬發現，處在石墨烯與銅基體之間的氫，在大濃度、高溫的條件下，可以起到減弱二者耦合的作用。在熱氫氣的組分中，質子和電子可以自由穿梭于石墨烯的蜂窩狀晶格。因此，研究人員推測，質子在穿透石墨烯后，有一定概率會再次與電子組合成氫。
“課題組通過氫氣、氘氣（D2）、氦氣（He）等離子體的作用效果對比，驗證了所設想的模型。”高力波介紹，增加質子密度，成為減弱二者耦合作用的關鍵途徑。有鑒于此，研究團隊采用氫氣等離子體處理褶皺化的石墨烯薄膜，并輔以高溫，逐步減弱并消除石墨烯褶皺。如果在生長石墨烯的同時，引入氫氣等離子體，則生長出來的石墨烯完全無褶皺。
為了全方位表征無褶皺化的石墨烯薄膜，通過多種物性測量，包括掃描隧道顯微鏡（STM）觀測摩爾條紋和掃描隧道譜（STS）、角分辨光電子能譜（ARPES）直觀觀測石墨烯與銅基體的耦合作用變化、變溫拉曼光譜表征熱漲率差異等，都表明了這種超平整的石墨烯薄膜，處于與生長基體脫耦合、無摻雜的狀態。由于石墨烯薄膜的超平整特性，因此在清除石墨烯表面其他物質，尤其是石墨烯轉移過程中產生的轉移介質PMMA殘留時，表現出極易清潔的優點。
此外，為了凸顯超平整石墨烯薄膜的優點，即大尺寸和高品質，研究人員還進行了不同線寬下的石墨烯量子霍爾效應的測量，線寬分別為2μm、20μm、100μm、500μm。此前，有礙于大尺寸石墨烯樣品的均勻性，石墨烯量子霍爾效應出現的最大線寬為50μm，而生長出來的超平整石墨烯薄膜，量子霍爾效應出現的閾值條件，和1μm線寬時測量的本征石墨烯幾乎相當。更重要的是，對于不同線寬測量，他們的平臺出現閾值幾乎不變。“這表明只有消除褶皺，才能在最大程度上實現大尺寸石墨烯的均質化、高品質。”高力波表示，質子輔助的CVD方法不僅能夠盡可能維持石墨烯的固有性質，還將對今后制備其他種類的納米材料具有普適性。
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