Nature：质子辅助，为石墨烯“去皱纹”

石墨烯优异的电学性能、力学性能以及化学性能，使其在电子器件中的应用极具吸引力。通过化学气相沉积法（CVD）生长石墨烯已发展了十几年，并日趋成为制备大面积、高品质石墨烯薄膜最主要的方法。然而，该方法制备石墨烯极容易产生褶皱，影响其性能，更限制了大规模均匀石墨烯的制备。如何彻底地消除褶皱，制备出超平滑的石墨烯薄膜，逐渐成为其品质跨越式提升的重点和难点。

CVD法卷对卷制备30英寸石墨烯薄膜。图片来源：Nat. Nanotech.^[1]

日前，南京大学高力波教授（点击查看介绍）等研究者发现了解决石墨烯褶皱问题的新策略——引入氢等离子体，通过质子辅助CVD法，在650 ℃的较低温度下，制备出无褶皱超平滑的石墨烯薄膜。此外，采用氢等离子体处理传统CVD方法制备的褶皱石墨烯薄膜，也可以减少石墨烯褶皱。相关论文发表于Nature 杂志，博士生袁国文为论文的第一作者，高力波教授为通讯作者。^[2]

要找到解决办法，先要了解传统CVD法制备石墨烯产生褶皱的原因。由于石墨烯与生长基底（例如铜或铂）的强耦合作用，同时石墨烯和基底的热膨胀系数并不匹配，导致在数百摄氏度高温下生长而得的石墨烯在制备完成后降至室温过程中，释放压缩应变，很容易产生褶皱。因此，尝试减弱石墨烯与生长基底之间的相互作用，可能是解决这一问题的关键。

石墨烯褶皱的形成。图片来源：Nature

研究者通过理论模拟发现，当氢碳比例从H:C=1:4提高到H:C=1:2时，形成的石墨烯层与Cu基底表面之间的距离在常温下差别不大，分别为~3.6 Å和~3.9 Å；而在高温（400 °C）下，二者之间距离则分别为~3.6 Å和~6.4 Å，也就是说，制备过程中引入高比例的氢，在高温下可能会插入石墨烯和基底之间，弱化二者的耦合作用，有利于退火后石墨烯与基底分离，并减少褶皱的产生。

有了理论模拟的支持，研究者在400 °C和650 °C的H₂气氛中，用电感耦合等离子体（ICP）处理褶皱的石墨烯薄膜，结果皱纹减少，同时更多的气泡出现。质子和电子可自由穿透石墨烯层，而质子在穿透石墨烯后，有一定概率会再次与电子结合而形成氢。研究者推测，石墨烯与基底之间的范德华相互作用，会被可自由穿透石墨烯层的质子改变，而不会受直接扩散的分子氢影响。

铜表面生长石墨烯与氢等离子体处理。图片来源：Nature

于是，研究者提出新的ICP-CVD法，在CVD生长过程中，引入氢等离子体来提供足够的质子。大量的质子穿透石墨烯层，弱化石墨烯与基底的耦合作用，使生长的石墨烯能够自由滑动而不受原子台阶或原子空位的拖拽。该方法与传统的CVD工艺不同，生长的石墨烯避免了褶皱的形成。此外，传统CVD方法制备的褶皱石墨烯薄膜，使用氢ICP进行后处理也可以减少褶皱的密度及高度。

质子辅助生长无皱纹的石墨烯薄膜。图片来源：Nature

研究者通过多项测试来表征石墨烯薄膜，结果都表明了这种石墨烯与生长基底耦合明显减少，所得到的超平滑石墨烯薄膜均匀且性能优异。通过该方法制备的超平整石墨烯薄膜，量子霍尔效应与本征石墨烯几乎相当。有趣的是，在清除石墨烯表面其他物质，尤其是石墨烯转移过程中的转移介质PMMA残留时，表现出极易清洁的优点。

超平石墨烯薄膜的量子霍尔效应及易清洁能力。图片来源：Nature

“在~10 cm的铜衬底上生长超平的石墨烯薄膜只需要几分钟的时间，而且这种方法很容易在更大的衬底上使用”，高力波教授说，“这种质子辅助法也可用于其它无褶皱的二维材料生长”^[3]。更有趣的是，由于氢气可能储存在二维材料层与层之间，该方法也为层状材料储氢提供了一个新的思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films

Guowen Yuan, Dongjing Lin, Yong Wang, Xianlei Huang, Wang Chen, Xuedong Xie, Junyu Zong, Qian-Qian Yuan, Hang Zheng, Di Wang, Jie Xu, Shao-Chun Li, Yi Zhang, Jian Sun, Xiaoxiang Xi, Libo Gao

Nature, 2020, 577, 204–208, DOI: 10.1038/s41586-019-1870-3

导师介绍

高力波

https://www.x-mol.com/university/faculty/63291

参考文献：

1. Bae S., Kim H., Lee Y., et al. Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. Nat. Nanotech., 2010, 5(8):574-578. DOI: 10.1038/nnano.2010.132

https://www.nature.com/articles/nnano.2010.132    

2. 《Nature》刊登南京大学物理学院团队研究成果：质子辅助生长超平整石墨烯薄膜

https://physics.nju.edu.cn//xwgg/xw/20200109/i66883.html

3. Hydrogen ions smooth out wrinkles in graphene films

https://cen.acs.org/articles/98/web/2020/01/Hydrogen-ions-smooth-wrinkles-graphene.html

（本文由小希供稿）