金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用

程婷 孙禄钊 刘志荣 丁峰 刘忠范

引用本文: 程婷, 孙禄钊, 刘志荣, 丁峰, 刘忠范. 金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 201200. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012006 shu
Citation:  Ting Cheng, Luzhao Sun, Zhirong Liu, Feng Ding, Zhongfan Liu. Roles of Transition Metal Substrates in Graphene Chemical Vapor Deposition Growth[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(1): 201200. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012006 shu

金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用

    作者简介:


    丁峰,1970年出生,2002年获南京大学博士学位。现为韩国蔚山国立科技大学杰出教授,韩国基础科学院多维碳材料中心理论组组长。目前的主要研究方向为低维材料的理论研究;
    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: 丁峰, f.ding@unist.ac.kr; 刘忠范, zfliu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFA0200101

    国家自然科学基金 21773002

    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 Z181100004818001

    北京市科学技术委员会 Z191100000819005

    北京市科学技术委员会 Z201100008720005

摘要: 以过渡金属为催化衬底的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)已经可以制备与机械剥离样品相媲美的石墨烯,是实现石墨烯工业应用的关键技术之一。原子尺度理论研究能够帮助我们深刻理解石墨烯生长机理,为实验现象提供合理的解释,并有可能成为将来实验设计的理论指导。本文从理论计算的角度,总结了各种金属衬底在石墨烯CVD生长过程中的各种作用与相应的机理,包括在催化碳源裂解、降低石墨烯成核密度等,催化加快石墨烯快速生长,修复石墨烯生长过程中产生的缺陷,控制外延生长石墨烯的晶格取向,以及在降温过程中石墨烯褶皱与金属表面台阶束的形成过程等。在本文最后,我们对当前石墨烯生长领域中亟需解决的理论问题进行了深入探讨与展望。

English

    1. [1]

      Chen, J. -H.; Jang, C.; Xiao, S. D.; Ishigami, M.; Fuhrer, M. S. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 206. doi: 10.1038/nnano.2008.58

    2. [2]

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

    3. [3]

      Cheng, T.; Lang, H. F.; Li, Z. Z.; Liu, Z. F.; Liu, Z. R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 23942. doi: 10.1039/c7cp03736h

    4. [4]

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

    5. [5]

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

    6. [6]

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

    7. [7]

      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

    8. [8]

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

    9. [9]

      陈旭东, 陈召龙, 孙靖宇, 张艳锋, 刘忠范. 物理化学学报, 2016, 32, 14. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511133Chen, X. D.; Chen, Z. L.; Sun, J. Y.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 14. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511133

    10. [10]

      陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 物理化学学报, 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004Chen, Z. L.; Gao, P.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004

    11. [11]

      Deng, B.; Liu, Z.; Peng, H. Adv. Mater. 2019, 31, e1800996. doi: 10.1002/adma.201800996

    12. [12]

      Jia, K. C.; Zhang, J. C.; Lin, L.; Li, Z.; Gao, J.; Sun, L.; Xue, R.; Li, J.; Kang, N.; Luo, Z.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7670. doi: 10.1021/jacs.9b02068

    13. [13]

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

    14. [14]

      Sun, L. Z.; Lin, L.; Wang, Z. H.; 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

    15. [15]

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

    16. [16]

      Jia, K. C.; Ci, H. N.; Zhang, J. C.; 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

    17. [17]

      Jacobberger, R. M.; Arnold, M. S. Chem. Mater. 2013, 25, 871. doi: 10.1021/cm303445s

    18. [18]

      Meng, L.; Wu, R. T.; Zhang, L. Z.; Li, L. F.; Du, S. X.; Wang, Y. L.; Gao, H. -J. J. Phys. : Condens. Matter 2012, 24, 314214. doi: 10.1088/0953-8984/24/31/314214

    19. [19]

      张艳锋, 高腾, 张玉, 刘忠范. 物理化学学报, 2012, 28, 2456. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209062Zhang, Y. F.; Gao, T.; Zhang, Y.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 2456. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209062

    20. [20]

      Dai, B. Y.; Fu, L.; Zou, Z. Y.; Wang, M.; Xu, H. T.; Wang, S.; Liu, Z. F. Nat. Commun. 2011, 2, 522. doi: 10.1038/ncomms1539

    21. [21]

      Ma, T.; Ren, W. C.; Zhang, X. Y.; Liu, Z.; Gao, Y.; Yin, L. -C.; Ma, X. -L.; Ding, F.; Cheng, H. -M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013, 110, 20386. doi: 10.1073/pnas.1312802110

    22. [22]

      Xu, X. Z.; Zhang, Z. H.; Dong, J. C.; 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

    23. [23]

      Deng, B.; Xin, Z. W.; Xue, R. W.; Zhang, S. Q.; Xu, X. Z.; Gao, J.; Tang, J. L.; Qi, Y.; Wang, Y. N.; Zhao, Y.; et al. Sci. Bull. 2019, 64, 659. doi: 10.1016/j.scib.2019.04.030

    24. [24]

      Liu, N.; Fu, L.; Dai, B.; Yan, K.; Liu, X.; Zhao, R.; Zhang, Y.; Liu, Z. Nano Lett. 2011, 11, 297. doi: 10.1021/nl103962a

    25. [25]

      Ma, W.; Chen, M. -L.; Yin, L.; Liu, Z.; Li, H.; Xu, C.; Xin, X.; Sun, D. -M.; Cheng, H. -M.; Ren, W. Nat. Commun. 2019, 10, 2809. doi: 10.1038/s41467-019-10691-2

    26. [26]

      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

    27. [27]

      Van Luan, N.; Dinh Loc, D.; Lee, S. H.; Avila, J.; Han, G.; Kim, Y. -M.; Asensio, M. C.; Jeong, S. -Y.; Lee, Y. H. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 861. doi: 10.1038/s41565-020-0743-0

    28. [28]

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

    29. [29]

      Mattevi, C.; Kim, H.; Chhowalla, M. J. Mater. Chem. 2011, 21, 3324. doi: 10.1039/c0jm02126a

    30. [30]

      Earnshaw, A.; Harrington, T. J. Inorganic Chemistry of the Transition Elements, 6th ed.; Oxford University Press: Oxford, UK, 1972; pp. 210–394.

    31. [31]

      Qi, Y.; Meng, C. X.; Xu, X. Z.; Deng, B.; Han, N.; Liu, M.; Hong, M.; Ning, Y.; Liu, K.; Zhao, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17574. doi: 10.1021/jacs.7b09755

    32. [32]

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

    33. [33]

      Reina, A.; Thiele, S.; Jia, X. T.; Bhaviripudi, S.; Dresselhaus, M. S.; Schaefer, J. A.; Kong, J. Nano Res. 2009, 2, 509. doi: 10.1007/s12274-009-9059-y

    34. [34]

      Geng, D. C.; Wu, B.; Guo, Y. L.; Huang, L. P.; Xue, Y. Z.; Chen, J. Y.; Yu, G.; Jiang, L.; Hu, W. P.; Liu, Y. Q. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 7992. doi: 10.1073/pnas.1200339109

    35. [35]

      Li, Y.; Sun, L.; Liu, H.; Wang, Y.; Liu, Z. Inorg. Chem. Front. 2021, 8, 182. doi: 10.1039/D0QI00923G

    36. [36]

      Zhao, C.; Liu, F. N.; Kong, X.; Yan, T.; Ding, F. Int. J. Smart Nano Mater. 2020, 11, 277. doi: 10.1080/19475411.2020.1820621

    37. [37]

      Zhang, J. C.; Lin, L.; Jia, K. C.; Sun, L. Z.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Adv. Mater. 2020, 32, 1903266. doi: 10.1002/adma.201903266

    38. [38]

      Cheng, H. M. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 726. doi: 10.1038/nnano.2014.229

    39. [39]

      王可心, 史刘嵘, 王铭展, 杨皓, 刘忠范, 彭海琳. 物理化学学报, 2019, 35, 1112. doi: 10.3866/PKU.WHXB201805032Wang, K. X.; Shi, L. R.; Wang, M. Z.; Yang, H.; Liu, Z. F.; Peng, H. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1112. doi: 10.3866/PKU.WHXB201805032

    40. [40]

      Xie, Y. D.; Cheng, T.; Liu, C.; Chen, Y.; Chen, Z. L.; Qiu, L.; Cui, G.; Yu, Y.; Cui, L. Z.; Zhang, M. T.; et al. ACS Nano 2019, 13, 10272. doi: 10.1021/acsnano.9b03596

    41. [41]

      Chen, Z. L.; Chang, H. L.; Cheng, T.; Wei, T.; Wang, R.; Yang, S.; Dou, Z.; Liu, B.; Zhang, S.; Xie, Y.; et al. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001483. doi: 10.1002/adfm.202001483

    42. [42]

      程熠, 王坤, 亓月, 刘忠范. 物理化学学报, 2021, 37, 2006046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046Cheng, Y.; Wang, K.; Qi, Y.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2006046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046

    43. [43]

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

    44. [44]

      王璐, 高峻峰, 丁峰. 化学学报, 2014, 72, 345. doi: 10.6023/a13090984Wang, L.; Gao, J. F.; Ding, F. Acta Chim. Sin. 2014, 72, 345. doi: 10.6023/a13090984

    45. [45]

      Wu, P.; Zhang, W.; Li, Z.; Yang, J. Small 2014, 10, 2136. doi: 10.1002/smll.201303680

    46. [46]

      Li, P.; Li, Z.; Yang, J. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 25949. doi: 0.1021/acs.jpcc.7b09622

    47. [47]

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

    48. [48]

      Dong, J. C.; Zhang, L. N.; Ding, F. Adv. Mater. 2019, 31, 1801583. doi: 10.1002/adma.201801583

    49. [49]

      Cheng, T.; Tan, C. W.; Zhang, S. Q.; Tu, T.; Peng, H.; Liu, Z. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 19970. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b05475

    50. [50]

      Cheng, T.; Liu, Z. F.; Liu, Z. R. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 13819. doi: 10.1039/d0tc03253k

    51. [51]

      Yuan, S.; Meng, L.; Wang, J. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 14796. doi: 10.1021/jp400944c

    52. [52]

      Wu, T. R.; Zhang, X. F.; Yuan, Q. H.; Xue, J. C.; Liu, Z. H.; Wang, H. S.; Wang, H. M.; Ding, F.; Yu, Q. K.; Xie, X. M.; et al. Nat. Mater. 2016, 15, 43. doi: 10.1038/nmat4477

    53. [53]

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

    54. [54]

      Shu, H. B.; Tao, X. -M.; Ding, F. Nanoscale 2015, 7, 1627. doi: 10.1039/c4nr05590j

    55. [55]

      Wu, P.; Zhang, Y.; Cui, P.; Li, Z. Y.; Yang, J. L.; Zhang, Z. Y. Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 216102. doi: 10.1103/PhysRevLett.114.216102

    56. [56]

      Gao, J.; Yip, J.; Zhao, J.; Yakobson, B. I.; Ding, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5009. doi: 10.1021/ja110927p

    57. [57]

      Xu, Z. W.; Yan, T. Y.; Liu, G. W.; Qiao, G.; Ding, F. Nanoscale 2016, 8, 921. doi: 10.1039/c5nr06016h

    58. [58]

      Sun, L.; Lin, L.; Zhang, J.; Wang, H.; Peng, H.; Liu, Z. Nano Res. 2017, 10, 355. doi: 10.1007/s12274-016-1297-1

    59. [59]

      Liu, Y.; Wu, T.; Yin, Y.; Zhang, X.; Yu, Q.; Searles, D. J.; Ding, F.; Yuan, Q.; Xie, X. Adv. Sci. 2018, 5, 1700961. doi: 10.1002/advs.201700961

    60. [60]

      Zhang, X. Y.; Xu, Z. W.; Hui, L.; Xin, J.; Ding, F. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2822. doi: 10.1021/jz301029g

    61. [61]

      Yuan, Q. H.; Yakobson, B. I.; Ding, F. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3093. doi: 10.1021/jz5015899

    62. [62]

      Xu, Z. W.; Zhao, G. H.; Qiu, L.; Zhang, X. Y.; Ding, F. NPJ Comput. Mater. 2020, 6, 14. doi: 10.1038/s41524-020-0281-1

    63. [63]

      Li, Y.; Sun, L. Z.; Chang, Z. H.; Liu, H. Y.; Wang, Y. C.; Liang, Y.; Chen, B. H.; Ding, Q. J.; Zhao, Z. Y.; Wang, R. Y.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, 2002034. doi: 10.1002/adma.202002034

    64. [64]

      Wu, M. H.; Zhang, Z. B.; Xu, X. Z.; Zhang, Z. H.; Dong, J. C.; Qiao, R. X.; You, S. F.; Wang, L.; Qi, J. J.; Zou, D. X.; et al. Nature 2020, 581, 406. doi: 10.1038/s41586-020-2298-5

    65. [65]

      Yang, P.; Zhang, S.; Pan, S.; Tang, B.; Liang, Y.; Zhao, X.; Zhang, Z.; Shi, J.; Huan, Y.; Shi, Y.; et al. ACS Nano 2020, 14, 5036. doi: 10.1021/acsnano.0c01478

    66. [66]

      Shu, H. B.; Chen, X. S.; Tao, X. M.; Ding, F. ACS Nano 2012, 6, 3243. doi: 10.1021/nn300726r

    67. [67]

      Li, P.; Li, Z.; Yang, J. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 25949. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b09622

    68. [68]

      Wu, P.; Jiang, H.; Zhang, W.; Li, Z.; Hou, Z.; Yang, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6045. doi: 10.1021/ja301791x

    69. [69]

      Yazyev, O. V.; Chen, Y. P. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 755. doi: 10.1038/nnano.2014.166

    70. [70]

      Meng, L. J.; Jiang, J.; Wang, J. L.; Ding, F. J. Phys. Chem. C 2013, 118, 720. doi: 10.1021/jp409471a

    71. [71]

      Wang, L.; Zhang, X. Y.; Chan, H. L. W.; Yan, F.; Ding, F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4476. doi: 10.1021/ja312687a

    72. [72]

      Yuan, Q.; Song, G.; Sun, D.; Ding, F. Sci. Rep. 2014, 4, 6541. doi: 10.1038/srep06541

    73. [73]

      Dong, J.; Zhang, L.; Dai, X.; Ding, F. Nat. Commun. 2020, 11, 5862. doi: 10.1038/s41467-020-19752-3

    74. [74]

      Artyukhov, V. I.; Hao, Y. F.; Ruoff, R. S.; Yakobson, B. I. Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 115502. doi: 0.1103/PhysRevLett.114.115502

    75. [75]

      Wang, C.; Liu, Y.; Li, L.; Tan, H. Nanoscale 2014, 6, 5703. doi: 10.1039/c4nr00423j

    76. [76]

      Bronsgeest, M. S.; Bendiab, N.; Mathur, S.; Kimouche, A.; Johnson, H. T.; Coraux, J.; Pochet, P. Nano Lett. 2015, 15, 5098. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01246

    77. [77]

      de Lima, A. L.; Mussnich, L. A.; Manhabosco, T. M.; Chacham, H.; Batista, R. J.; de Oliveira, A. B. Nanotechnology 2015, 26, 045707. doi: 10.1088/0957-4484/26/4/045707

    78. [78]

      Shaina, P. R.; George, L.; Yadav, V.; Jaiswal, M. J. Phys. -Condes. Matter 2016, 28, 085301. doi: 10.1088/0953-8984/28/8/085301

    79. [79]

      Deng, B.; Wu, J.; Zhang, S.; Qi, Y.; Zheng, L.; Yang, H.; Tang, J.; Tong, L.; Zhang, J.; Liu, Z.; et al. Small 2018, 14, 1800725. doi: 10.1002/smll.201800725

    80. [80]

      Zhu, W.; Low, T.; Perebeinos, V.; Bol, A. A.; Zhu, Y.; Yan, H.; Tersoff, J.; Avouris, P. Nano Lett. 2012, 12, 3431. doi: 10.1021/nl300563h

    81. [81]

      Nicholl, R. J. T.; Conley, H. J.; Lavrik, N. V.; Vlassiouk, I.; Puzyrev, Y. S.; Sreenivas, V. P.; Pantelides, S. T.; Bolotin, K. I. Nat. Commun. 2015, 6. doi: 10.1038/ncomms9789

    82. [82]

      Deng, B.; Pang, Z. Q.; Chen, S. L.; 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

    83. [83]

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

    84. [84]

      Pang, Z. Q.; Deng, B.; Liu, Z. F.; Peng, H.; Wei, Y. Carbon 2019, 143, 736. doi: 10.1016/j.carbon.2018.11.059

    85. [85]

      Yi, D.; Luo, D.; Wang, Z. -J.; Dong, J. C.; Zhang, X.; Willinger, M. G.; Ruoff, R. S.; Ding, F. Phys. Rev. Lett. 2018, 120, 246101. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.246101

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  45
  • 文章访问数:  3399
  • HTML全文浏览量:  855
文章相关
  • 发布日期:  2022-01-15
  • 收稿日期:  2020-12-02
  • 接受日期:  2020-12-25
  • 修回日期:  2020-12-24
  • 网络出版日期:  2020-12-30
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