高質量石墨烯在介電襯底上的直接化學氣相沉積生長是一項巨大的挑戰。石墨烯在電介質上的生長總是受到成核密度高和質量差的問題。在此，提出了一種預熔化襯底促進的選擇性蝕刻 （PSE） 策略。預熔化的襯底可以促進電荷從襯底轉移到石墨烯結構域附近的原子核，從而促進 CO2 蝕刻劑與原子核之間的反應。因此，PSE 策略可以實現對在石墨烯結構域附近形成的原子核的選擇性刻蝕，從而在玻璃纖維上析出具有 ∼1 μm 均勻結構域尺寸和 ∼0.13 ID/IG 比的高質量石墨烯，在無金屬輔助的情況下在非催化襯底上生長的石墨烯中實現了最大的結構疇尺寸和最低的缺陷密度。與沒有 PSE 策略制造的石墨烯相比，石墨烯的質量大大提高，作為電加熱器使用時，導電性顯著提高了 3 倍，工作壽命延長了 7 倍。
圖1. PSE 策略的設計和理論研究。（a） PSE 策略示意圖。（b） 活性炭種類 （CH
3） 在固體和預熔化基材上的擴散屏障。（c） 石墨烯生長在固體和預熔化基板上的 SEM 圖像。生長條件：∼1100 °C，大氣壓，CH
4/H
2 = 7：100 sccm，∼6 小時。（d） 石墨烯結構域和細胞核模型的示意圖。（e） 面板 （d） 中 CO
2 蝕刻結構 I 和 IV 在固體和預熔化基材上的能壘。（f） 在固體和預熔化表面上，圖 （e） 中結構 IV 的原子核與襯底之間以及原子核與 CO
2 之間的電荷密度差 （CDD），其中綠色和黃色區域分別表示電子耗盡和積累。（g） 分別在預熔化和固體表面上進行增強和有限電荷轉移的示意圖。
圖2. 石墨烯與 PSE 策略一起生長。（a） 用不同的 C/H 比和固定 CO
2 制備的玻璃纖維和 GGFF 的照片。生長條件：∼1100 °C，大氣壓，CO
2 = 4 sccm，∼8 h。（b） 面板 （a） 中玻璃纖維和 GGFF 的拉曼光譜。（c） graphene@PSE 和 graphene@Con 的拉曼光譜。（d） graphene@PSE的 SEM 圖像顯示疇大小為 ∼1 μm。（e） 單層比例為 ∼98% 的石墨烯的 AFM 圖像。插圖：圖 （e） 中石墨烯的層數分布。面板生長條件 （c-e）：∼1100 °C，大氣壓，∼8 小時，PSE 策略：CH
4/H
2/CO
2 = 10：100：4 sccm;常規策略：CH
4/H
2 = 6：100 sccm。（f） 在我們的工作中獲得的石墨烯的缺陷密度和疇大小的統計數據，以及通過其他報道的方法在非金屬襯底上獲得的缺陷密度和疇大小的統計數據。
圖3. PSE 策略中石墨烯的生長行為。在 （a） ∼4 h、（b） ∼6 h 和 （c） ∼8 h 的生長時間獲得的石墨烯結構域的 SEM 圖像。生長條件：∼1100 °C，大氣壓，CH4/H2/CO2 = 10：100：4 sccm。（d） 石墨烯疇大小的成核密度和 CV 隨生長時間的演變。（e） 碳同位素標記的石墨烯生長示意圖。（f） 使用碳同位素標記技術生長的石墨烯的 SEM 圖像。生長條件：∼1100 °C，大氣壓，CH
4/H
2/CO
2 = 10：100：4 sccm，第一個 ∼6 小時
12CH
4，最后 ∼2 小時
13CH
4。（g）
12C-石墨烯的 D 波段強度在 1330-1370 cm
-1 的波數范圍內和 （h）
13C-石墨烯在 1275-1315 cm
-1 的波數范圍內的強度的拉曼映射。（i） 在沒有 CO
2 輔助的預熔襯底上生長的石墨烯的疇尺寸統計結果，在 CO
2 輔助下在固體襯底上生長，以及在 CO
2 輔助下在預熔襯底上生長的 PSE 策略的統計結果。插圖：對應的 SEM 圖像。生長條件：∼1100 °C，大氣壓，∼6 h，CO
2 輔助的固體基質和 PSE 策略：CH
4/H
2/CO
2 = 12：100：4 sccm;無 CO
2 輔助的預熔基材：CH
4/H
2 = 7：100 sccm。（j） PSE 策略中石墨烯生長機制的示意圖。
圖4. 石墨烯層和 GGFF 柔性電加熱器的導電性。（a） 用 PSE 和常規策略制造的石墨烯層的電導率。在 PSE 和傳統策略中制造的 GGFF 的 （b） 柔韌性差異和 （c） 測試的彎曲剛度示意圖。（d） GGFF 柔性電加熱器示意圖。（e） GGFF 柔性電加熱器的紅外圖像。（g） GGFF 加熱器在不同功率密度下的溫度曲線，以及 （f） 相應的飽和溫度和加熱速率。（h） 具有不同石墨烯層數的 GGFF 加熱器的工作壽命和 （i） 老化測試。
相關研究成果由北京石墨烯研究所
Yue Qi和北京大學Zhongfan Liu課題組2024年發表在
ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c20313)上。原文：
Premelted-Substrate-Promoted Selective Etching Strategy Realizing CVD Growth of High-Quality Graphene on Dielectric Substrates
轉自《石墨烯研究》公眾號
