超洁净石墨烯薄膜的制备方法

刘晓婷 张金灿 陈恒 刘忠范

引用本文: 刘晓婷, 张金灿, 陈恒, 刘忠范. 超洁净石墨烯薄膜的制备方法[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 201204. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012047 shu
Citation:  Xiaoting Liu, Jincan Zhang, Heng Chen, Zhongfan Liu. Synthesis of Superclean Graphene[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(1): 201204. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012047 shu

超洁净石墨烯薄膜的制备方法

    作者简介:


    刘忠范,1962年出生。1990年获东京大学博士学位。现为北京大学教授,博士生导师,北京石墨烯研究院院长,中国科学院院士。主要研究方向为石墨烯的CVD生长方法与应用;
    通讯作者: 刘忠范, zfliu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划项目 2016YFA0200103

    国家重点基础研究发展规划项目 2018YFA0703502

    国家自然科学基金 51520105003

    国家自然科学基金 52072042

    北京分子科学国家研究中心 BNLMS-CXTD-202001

    北京市科学技术委员会 Z18110300480001

    北京市科学技术委员会 Z18110300480002

摘要: 化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法制备的石墨烯薄膜具有质量高、可控性好、可放大等优点,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,近期研究结果表明,在高温CVD生长石墨烯的过程中,伴随着许多副反应,这些副反应会导致石墨烯薄膜表面沉积大量的无定形碳污染物,造成石墨烯薄膜的“本征污染”现象。同时,这些污染物的存在会导致转移后的石墨烯薄膜表面更脏,对石墨烯材料和器件的性能带来严重影响。这也是CVD石墨烯薄膜的性能一直无法媲美机械剥离石墨烯的重要原因之一。事实上,超洁净生长方法制备得到的超洁净石墨烯薄膜在诸多指标上都给出了目前文献报道的最好结果,代表着石墨烯薄膜材料制备技术的发展前沿。本文首先对CVD法制备石墨烯过程中表面污染物的形成机理进行分析,然后综述了超洁净石墨烯薄膜的制备方法,并列举了超洁净石墨烯薄膜的优异性质。最后,总结并展望了超洁净石墨烯未来可能的发展方向和规模化制备面临的机遇与挑战。

English

    1. [1]

      Neto, A. C.; Guinea, F.; Peres, N. M.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Rev. Mod. Phys. 2009, 81, 109. doi: 10.1103/RevModPhys.81.109

    2. [2]

      Du, X.; Skachko, I.; Barker, A.; Andrei, E. Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 491. doi: 10.1038/nnano.2008.199

    3. [3]

      Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902. doi: 10.1021/nl0731872

    4. [4]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    5. [5]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385. doi: 10.1126/science.1157996

    6. [6]

      Novoselov, K. S.; Fal'ko, V. I.; Colombo, L.; Gellert, P. R.; Schwab, M. G.; Kim, K. Nature 2012, 490, 192. doi: 10.1038/nature11458

    7. [7]

      Ferrari, A. C.; Bonaccorso, F.; Fal'ko, V.; Novoselov, K. S.; Roche, S.; Boggild, P.; Borini, S.; Koppens, F. H. L.; Palermo, V.; Pugno, N.; et al. Nanoscale 2015, 7, 4598. doi: 10.1039/c4nr01600a

    8. [8]

      Bonaccorso, F.; Colombo, L.; Yu, G.; Stoller, M.; Tozzini, V.; Ferrari, A. C.; Ruoff, R. S.; Pellegrini, V. Science 2015, 347, 1246501. doi: 10.1126/science.1246501

    9. [9]

      Neumaier, D.; Pindl, S.; Lemme, M. C. Nat. Mater. 2019, 18, 525. doi: 10.1038/s41563-019-0359-7

    10. [10]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    11. [11]

      Voiry, D.; Yang, J.; Kupferberg, J.; Fullon, R.; Lee, C.; Jeong, H. Y.; Shin, H. S.; Chhowalla, M. Science 2016, 353, 1413. doi: 10.1126/science.aah3398

    12. [12]

      Hernandez, Y.; Nicolosi, V.; Lotya, M.; Blighe, F. M.; Sun, Z.; De, S.; McGovern, I. T.; Holland, B.; Byrne, M.; Gun'ko, Y. K.; et al. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563. doi: 10.1038/nnano.2008.215

    13. [13]

      Huang, H.; Chen, W.; Chen, S.; Wee, A. T. S. ACS Nano 2008, 2, 2513. doi: 10.1021/nn800711v

    14. [14]

      Berger, C.; Song, Z.; Li, X.; Wu, X.; Brown, N.; Naud, C.; Mayou, D.; Li, T.; Hass, J.; Marchenkov, A. N.; et al. Science 2006, 312, 1191. doi: 10.1126/science.1125925

    15. [15]

      Li, X.; Cai, W.; An, J.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; et al. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245

    16. [16]

      Kim, K. S.; Zhao, Y.; Jang, H.; Lee, S. Y.; Kim, J. M.; Kim, K. S.; Ahn, J. -H.; Kim, P.; Choi, J. -Y.; Hong, B. H. Nature 2009, 457, 706. doi: 10.1038/nature07719

    17. [17]

      Lin, L.; Peng, H.; Liu, Z. F. Nat. Mater. 2019, 18, 520. doi: 10.1038/s41563-019-0341-4

    18. [18]

      Kong, W.; Kum, H.; Bae, S. -H.; Shim, J.; Kim, H.; Kong, L.; Meng, Y.; Wang, K.; Kim, C.; Kim, J. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 927. doi: 10.1038/s41565-019-0555-2

    19. [19]

      Pulizzi, F.; Bubnova, O.; Milana, S.; Schilter, D.; Abergel, D.; Moscatelli, A. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 914. doi: 10.1038/s41565-019-0552-5

    20. [20]

      Kim, H.; Song, I.; Park, C.; Son, M.; Hong, M.; Kim, Y.; Kim, J. S.; Shin, H. -J.; Baik, J.; Choi, H. C. ACS Nano 2013, 7, 6575. doi: 10.1021/nn402847w

    21. [21]

      Huang, P.; Ruiz-Vargas, C.; Zande, A.; Whitney, W.; Levendorf, M.; Kevek, J.; Garg, S.; Alden, J.; Hustedt, C.; Zhu, Y.; et al. Nature 2011, 469, 389. doi: 10.1038/nature09718

    22. [22]

      Yu, Q.; Jauregui, L.; Wu, W.; Colby, R.; Tian, J.; Su, Z.; Cao, H.; Liu, Z.; Pandey, D.; Wei, D.; et al. Nat. Mater. 2011, 10, 443. doi: 10.1038/nmat3010

    23. [23]

      Ni, G. -X.; Zheng, Y.; Bae, S.; Kim, H. R.; Pachoud, A.; Kim, Y. S.; Tan, C. -L.; Im, D.; Ahn, J. -H.; Hong, B. H.; et al. ACS Nano 2012, 6, 1158. doi: 10.1021/nn203775x

    24. [24]

      Deng, B.; Hou, Y.; Liu, Y.; Khodkov, T.; Goossens, S.; Tang, J.; Wang, Y.; Yan, R.; Du, Y.; Koppens, F. H.; et al. Nano Lett. 2020, 20, 6798. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02785

    25. [25]

      Lin, L.; Deng, B.; Sun, J. Y.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Chem. Rev. 2018, 118, 9281. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00325

    26. [26]

      Zhang, J.; Sun, L.; Jia, K.; Liu, X.; Cheng, T.; Peng, H.; Lin, L.; Liu, Z. F. ACS Nano 2020, 14, 10796. doi: 10.1021/acsnano.0c06141

    27. [27]

      Fang, W.; Hsu, A. L.; Song, Y.; Kong, J. Nanoscale 2015, 7, 20335. doi: 10.1039/c5nr04756k

    28. [28]

      Huang, M.; Bakharev, P. V.; Wang, Z. -J.; Biswal, M.; Yang, Z.; Jin, S.; Wang, B.; Park, H. J.; Li, Y.; Qu, D.; et al. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 289. doi: 10.1038/s41565-019-0622-8

    29. [29]

      Xue, Y.; Wu, B.; Jiang, L.; Guo, Y.; Huang, L.; Chen, J.; Tan, J.; Geng, D.; Luo, B.; Hu, W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11060. doi: 10.1021/ja302483t

    30. [30]

      Lin, L.; Li, J.; Yuan, Q.; Li, Q.; Zhang, J.; Sun, L.; Rui, D.; Chen, Z.; Jia, K.; Wang, M.; et al. Sci. Adv. 2019, 5, eaaw8337. doi: 10.1126/sciadv.aaw8337

    31. [31]

      Vlassiouk, I. V.; Stehle, Y.; Pudasaini, P. R.; Unocic, R. R.; Rack, P. D.; Baddorf, A. P.; Ivanov, I. N.; Lavrik, N. V.; List, F.; Gupta, N.; et al. Nat. Mater. 2018, 17, 318. doi: 10.1038/s41563-018-0019-3

    32. [32]

      Xu, X.; Zhang, Z.; Dong, J.; Yi, D.; Niu, J.; Wu, M.; Lin, L.; Yin, R.; Li, M.; Zhou, J.; et al. Sci. Bull. 2017, 62, 1074. doi: 10.1016/j.scib.2017.07.005

    33. [33]

      Hao, Y.; Bharathi, M. S.; Wang, L.; Liu, Y.; Chen, H.; Nie, S.; Wang, X.; Chou, H.; Tan, C.; Fallahazad, B.; et al. Science 2013, 342, 720. doi: 10.1126/science.1243879

    34. [34]

      Zhou, H.; Yu, W. J.; Liu, L.; Cheng, R.; Chen, Y.; Huang, X.; Liu, Y.; Wang, Y.; Huang, Y.; Duan, X. Nat. Commun. 2013, 4, 2096. doi: 10.1038/ncomms3096

    35. [35]

      姜蓓, 孙靖宇, 刘忠范. 物理化学学报, 2021, 37, 2007068. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007068Jiang, B.; Sun, J.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2007068. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007068

    36. [36]

      Deng, B.; Pang, Z.; Chen, S.; Li, X.; Meng, C.; Li, J.; Liu, M.; Wu, J.; Qi, Y.; Dang, W.; et al. ACS Nano 2017, 11, 12337. doi: 10.1021/acsnano.7b06196

    37. [37]

      Li, B. -W.; Luo, D.; Zhu, L.; Zhang, X.; Jin, S.; Huang, M.; Ding, F.; Ruoff, R. S. Adv. Mater. 2018, 30, 1706504. doi: 10.1002/adma.201706504

    38. [38]

      Yuan, G.; Lin, D.; Wang, Y.; Huang, X.; Chen, W.; Xie, X.; Zong, J.; Yuan, Q. -Q.; Zheng, H.; Wang, D.; et al. Nature 2020, 577, 204. doi: 10.1038/s41586-019-1870-3

    39. [39]

      Jia, Y.; Gong, X.; Peng, P.; Wang, Z.; Tian, Z.; Ren, L.; Fu, Y.; Zhang, H. Nano-Micro Lett. 2016, 8, 336. doi: 10.1007/s40820-016-0093-5

    40. [40]

      Zhang, Z.; Du, J.; Zhang, D.; Sun, H.; Yin, L.; Ma, L.; Chen, J.; Ma, D.; Cheng, H. -M.; Ren, W. Nat. Commun. 2017, 8, 14560. doi: 10.1038/ncomms14560

    41. [41]

      Pettes, M. T.; Jo, I.; Yao, Z.; Shi, L. Nano Lett. 2011, 11, 1195. doi: 10.1021/nl104156y

    42. [42]

      Matković, A.; Ralević, U.; Chhikara, M.; Jakovljević, M. M.; Jovanović, D.; Bratina, G.; Gajić, R. J. Appl. Phys. 2013, 114, 093505. doi: 10.1063/1.4819967

    43. [43]

      Li, Z.; Wang, Y.; Kozbial, A.; Shenoy, G.; Zhou, F.; McGinley, R.; Ireland, P.; Morganstein, B.; Kunkel, A.; Surwade, S. P.; et al. Nat. Mater. 2013, 12, 925. doi: 10.1038/nmat3709

    44. [44]

      Kim, Y.; Cruz, S. S.; Lee, K.; Alawode, B. O.; Choi, C.; Song, Y.; Johnson, J. M.; Heidelberger, C.; Kong, W.; Choi, S.; et al. Nature 2017, 544, 340. doi: 10.1038/nature22053

    45. [45]

      Zheng, L.; Chen, Y.; Li, N.; Zhang, J.; Liu, N.; Liu, J.; Dang, W.; Deng, B.; Li, Y.; Gao, X.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 541. doi: 10.1038/s41467-020-14359-0

    46. [46]

      Han, Y.; Fan, X.; Wang, H.; Zhao, F.; Tully, C. G.; Kong, J.; Yao, N.; Yan, N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117, 1009. doi: 10.1073/pnas.1919114117

    47. [47]

      Hong, H.; Zhang, J.; Zhang, J.; Qiao, R.; Yao, F.; Cheng, Y.; Wu, C.; Lin, L.; Jia, K.; Zhao, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 14952. doi: 10.1021/jacs.8b09353

    48. [48]

      Lin, Y. -C.; Lu, C. -C.; Yeh, C. -H.; Jin, C.; Suenaga, K.; Chiu, P. -W. Nano Lett. 2012, 12, 414. doi: 10.1021/nl203733r

    49. [49]

      Leong, W. S.; Wang, H.; Yeo, J.; Martin-Martinez, F. J.; Zubair, A.; Shen, P. -C.; Mao, Y.; Palacios, T.; Buehler, M. J.; Hong, J. -Y.; et al. Nat. Commun. 2019, 10, 867. doi: 10.1038/s41467-019-08813-x

    50. [50]

      Lin, Y. -C.; Jin, C.; Lee, J. -C.; Jen, S. -F.; Suenaga, K.; Chiu, P. -W. ACS Nano 2011, 5, 2362. doi: 10.1021/nn200105j

    51. [51]

      Wang, X.; Dolocan, A.; Chou, H.; Tao, L.; Dick, A.; Akinwande, D.; Wilison, C. G. Chem. Mat. 2017, 29, 2033. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b03875

    52. [52]

      Li, W.; Liang, Y.; Yu, D.; Peng, L.; Pernstich, K. P.; Shen, T.; Walker, A. R. H.; Cheng, G.; Hacker, C. A.; Richter, C. A.; et al. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 183110. doi: 10.1063/1.4804643

    53. [53]

      Moser, J.; Barreiro, A.; Bachtold, A. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 163513. doi: 10.1063/1.2789673

    54. [54]

      成会明. 物理化学学报, 2020, 36, 1909042. doi: 10.3866/PKU.WHXB201909042Cheng, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1909042. doi: 10.3866/PKU.WHXB201909042

    55. [55]

      Schuenemann, C.; Schaeffel, F.; Bachmatiuk, A.; Queitsch, U.; Sparing, M.; Rellinghaus, B.; Lafdi, K.; Schultz, L.; Buechner, B.; Ruemmeli, M. H. ACS Nano 2011, 5, 8928. doi: 10.1021/nn2031066

    56. [56]

      Lin, L.; Zhang, J.; Su, H.; Li, J.; Sun, L.; Wang, Z.; Xu, F.; Liu, C.; Lopatin, S.; Zhu, Y.; et al. Nat. Commun. 2019, 10, 1912. doi: 10.1038/s41467-019-09565-4

    57. [57]

      Zhang, J.; Lin, L.; Sun, L.; Huang, Y.; Koh, A. L.; Dang, W.; Yin, J.; Wang, M.; Tan, C.; Li, T.; et al. Adv. Mater. 2017, 29, 1700639. doi: 10.1002/adma.201700639

    58. [58]

      Zhang, J.; Jia, K.; Lin, L.; Zhao, W.; Quang, H. T.; Sun, L.; Li, T.; Li, Z.; Liu, X.; Zheng, L.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 14446. doi: 10.1002/anie.201905672

    59. [59]

      Su, W.; Kumar, N.; Dai, N.; Roy, D. Chem. Commun. 2016, 52, 8227. doi: 10.1039/C6CC01990K

    60. [60]

      Li, X.; Cai, W.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2009, 9, 4268. doi: 10.1021/nl902515k

    61. [61]

      Zhang, X.; Li, H.; Ding, F. Adv. Mater. 2014, 26, 5488. doi: 10.1002/adma.201305922

    62. [62]

      Gao, J.; Yuan, Q.; Hu, H.; Zhao, J.; Ding, F. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 17695. doi: 10.1021/jp2051454

    63. [63]

      Zhong, L.; Li, J.; Li, Y.; Lu, H.; Du, H.; Gan, L.; Xu, C.; Chiang, S. W.; Kang, F. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 23239. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b06750

    64. [64]

      Zhang, W.; Wu, P.; Li, Z.; Yang, J. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 17782. doi: 10.1021/jp2006827

    65. [65]

      Li, Z.; Zhang, W.; Fan, X.; Wu, P.; Zeng, C.; Li, Z.; Zhai, X.; Yang, J.; Hou, J. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 10557. doi: 10.1021/jp210814j

    66. [66]

      Kim, H.; Mattevi, C.; Calvo, M. R.; Oberg, J. C.; Artiglia, L.; Agnoli, S.; Hirjibehedin, C. F.; Chhowalla, M.; Saiz, E. ACS Nano 2012, 6, 3614. doi: 10.1021/nn3008965

    67. [67]

      Muñoz, R.; Gómez-Aleixandre, C. Chem. Vapor Depos. 2013, 19, 297. doi: 10.1002/cvde.201300051

    68. [68]

      Qing, F.; Jia, R.; Li, B. -W.; Liu, C.; Li, C.; Peng, B.; Deng, L.; Zhang, W.; Li, Y.; Ruoff, R. S.; et al. 2D Mater. 2017, 4, 025089. doi: 10.1088/2053-1583/aa6da5

    69. [69]

      Hu, C.; Li, H.; Zhang, S.; Li, W. J. Mater. Sci. 2016, 51, 3897. doi: 10.1007/s10853-015-9709-2

    70. [70]

      Qiu, Z.; Li, P.; Li, Z.; Yang, J. Acc. Chem. Res. 2018, 51, 728. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00592

    71. [71]

      Shivayogimath, A.; Mackenzie, D.; Luo, B.; Hansen, O.; Bøggild, P.; Booth, T. J. Sci. Rep. 2017, 7, 6183. doi: 10.1038/s41598-017-06276-y

    72. [72]

      Lewis, A. M.; Derby, B.; Kinloch, I. A. ACS Nano 2013, 7, 3104. doi: 10.1021/nn305223y

    73. [73]

      Wang, X.; Yuan, Q.; Li, J.; Ding, F. Nanoscale 2017, 9, 11584. doi: 10.1039/c7nr02743e

    74. [74]

      Seah, C. -M.; Chai, S. -P.; Mohamed, A. R. Carbon 2014, 70, 1. doi: 10.1016/j.carbon.2013.12.073

    75. [75]

      Sun, J.; Gao, T.; Song, X.; Zhao, Y.; Lin, Y.; Wang, H.; Ma, D.; Chen, Y.; Xiang, W.; Wing, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6574. doi: 10.1021/ja5022602

    76. [76]

      Zheng, S.; Zhong, G.; Wu, X.; D'Arsie, L.; Robertson, J. RSC Adv. 2017, 7, 33185. doi: 10.1039/c7ra04162d

    77. [77]

      Teng, P. -Y.; Lu, C. -C.; Akiyama-Hasegawa, K.; Lin, Y. -C.; Yeh, C. -H.; Suenaga, K.; Chiu, P. -W. Nano Lett. 2012, 12, 1379. doi: 10.1021/nl204024k

    78. [78]

      Jia, K.; Zhang, J.; Lin, L.; Li, Z.; Gao, J.; Sun, L.; Xue, R.; Li, J.; Kang, N.; Luo, Z.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 58, 14446. doi: 10.1002/anie.201905672

    79. [79]

      Jia, K.; Ci, H.; Zhang, J.; Sun, Z.; Ma, Z.; Zhu, Y.; Liu, S.; Liu, J.; Sun, L.; Liu, X.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17214. doi: 10.1002/anie.202005406

    80. [80]

      Sun, L.; Lin, L.; Wang, Z.; Rui, D.; Yu, Z.; Zhang, J.; Li, Y.; Liu, X.; Jia, K.; Wang, K.; et al. Adv. Mater. 2019, 31, 1902978. doi: 10.1002/adma.201902978

    81. [81]

      Cai, W.; Moore, A. L.; Zhu, Y.; Li, X.; Chen, S.; Shi, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2010, 10, 1645. doi: 10.1021/nl9041966

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  32
  • 文章访问数:  2023
  • HTML全文浏览量:  447
文章相关
  • 发布日期:  2022-01-15
  • 收稿日期:  2020-12-17
  • 接受日期:  2021-01-05
  • 修回日期:  2021-01-04
  • 网络出版日期:  2021-01-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章