Carbon：水辅助法在SiO2 / Si衬底上快速生长单层石墨烯薄膜

通过化学气相沉积（CVD）在介质基板上无金属生长高质量单层石墨烯膜对于开发基于高性能石墨烯的电子和光电器件具有重要意义。然而，由于介质基板的催化活性很低（基本可以忽略不计），现有CVD工艺的结构均匀性（生长质量）差，生长速率缓慢

近日,中国科学院金属研究所任文才课题组报告了一种水辅助法CVD工艺，可以在不使用金属催化剂，不需要超高温的条件下，在SiO2/Si衬底上快速生长出单层石墨烯薄膜。即使只有微量的水存在，也能够形成结构缺陷明显减少的优良石墨烯单层薄膜。相关研究成果以“Water-assisted rapid growth of monolayer graphene films on SiO2/Si substrates”为题，发表在《Carbon》上。

具体实验过程

用丙酮和异丙醇依次冲洗SiO2/Si（SiO2的厚度为290nm）基板1小时，然后装入水平熔融石英管（内径为22mm）中, 在Ar中退火10分钟以除去残留的有机物质，然后将CH4 / H2的气体混合物以流速为17.5 / 75sccm通入石英管中，用于石墨烯的生长。通过使用0~20sccm的Ar气流将水蒸气注入管中以辅助石墨烯的生长。生长后，关闭CH4 / H2气流（和用于水辅助生长的Ar气流）并在Ar中将样品快速冷却至室温。

在SiO2 / Si衬底上水辅助CVD法生长石墨烯的示意图。通过使用氩气流将水蒸气注入石英管中。水浴用于将水源的温度保持在25℃。

水能够同时提高石墨烯薄膜的结构均匀性和生长速率，可能因为其温和的氧化作用和加速从SiO 2 / Si基底释放氧的作用，并且通过降低生长动力学势垒使单层石墨烯快速生长。这项工作为介质基板上高质量石墨烯的高效可控CVD生长提供了有利基础。

DOI:10.1016/j.carbon.2019.03.083.

通讯作者简介

任文才, 中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。从事石墨烯研究，在石墨烯的生长机制、大尺寸单晶石墨烯与高导电性石墨烯三维网络结构材料的控制制备、高质量石墨烯材料的规模制备以及石墨烯材料的光电、储能等应用方面取得了一系列创新成果。在《Nature Materials》 等期刊发表 SCI 论文 68 篇，被 SCI 引用3688 次 ;申请国家发明专利 24 项，其中获授权 8 项，1 项已实施。2 项成果被 Nature 选为"研究亮点"，1 项成果入选"2011 年度中国科学十大进展"。

承担科研项目情况：

提出并选用了独特结构的基体，采用CVD方法制备出三维连通网络结构的石墨烯材料（图1，Nature Mater, 2011），拓展了石墨烯的应用空间，被评为2011年度"中国科学十大进展"；实现了毫米级高质量单晶石墨烯的重复制备与无损转移（图2，Nature Commun, 2012）。发展出低成本大量制备高质量石墨烯的新方法，在企业完成了中试并通过成果鉴定。

揭示了石墨烯的场发射性能(Adv Mater, 2009) 及石墨烯与氧化物的协同储能效应(ACS Nano & AFM, 2010等)，开拓了在柔性储能器件中的应用；研制出石墨烯基弹性导体、高灵敏传感器、高效热管理材料、轻质电磁屏蔽材料和高倍率柔性锂离子电池等（PNAS & Adv Mater, 2012等）。

发展了浮动催化剂CVD方法制备出双壁碳纳米管(CPL, 2002)，揭示了其结构特征、拉曼光谱和CVD生长机制。提出采用非金属催化剂高效制备出单壁碳纳米管及其气-固-固生长机制，开辟了又一制备碳纳米管的新途径（JACS, 2009 & 2011)。（来源：中科院金属研究所人才信息库）