At undersøge væksten af ​​grafen på overfladen af ​​ildfaste metaller

April 08, 2020

Grafen er det seneste medlem af kulstofmaterialefamilien. Med perfekt todimensionel struktur, fremragende elektriske og optiske egenskaber har grafen brede anvendelsesmuligheder inden for halvleder, solcelle, bilindustrien, ny energi, rumfart og andre områder. Kemisk dampaflejring (CVD) er en vigtig metode til vækst af todimensionelle materialer, som er blevet udviklet i mere end 10 år. Væksten af ​​grafen ved CVD er i stigende grad blevet den vigtigste metode til fremstilling af enkeltkrystal- eller grafenfilm med stort område af høj kvalitet.

Store områder af grafen dyrkes normalt ved CVD på Cu- eller Ni-katalysatorsubstrater ved 1000 °C, men væksten af ​​grafen ved højere temperaturer er sjældent blevet rapporteret. For nylig studerede forskergruppen af ​​professor guo weiling fra Beijings teknologiske universitet systematisk væksten af ​​grafen på ildfast metal, det vil sige metal med ekstremt højt smeltepunkt, og gav vækstparametrene og karakteriseringsresultaterne i detaljer. Det grundlæggende spørgsmål i denne forskning er: kan høj temperatur forbedre kvaliteten af ​​CVD-grafen?

Først og fremmest er gruppen teoretisk analyseret, at høj temperatur i grafen CVD metode vækst er gavnlig, på grund af den høje temperatur fører til en lavere nukleation tæthed, kan give højere energi, styrke overfladen af ​​carbon atomer diffusion og carbon atomer at overvinde energibarrieren og kombinere til gitteret af metalbase, så er det verificeret ved eksperiment. Forskergruppen udvalgte ildfaste metaller tantal (Ta), rhenium (Re), niobium (Nb), wolfram (W) og molybdæn (Mo) substrater, hvor væksten af ​​Nb, W og Mo var den samme som Ta. Start med Ta (smeltepunkt 3017 ℃) som basis, Ar som bæregas, H2 for at beskytte gas, CH4 eller C2H2 som kulstofkildens vækstgrafen ved CVD-metoden, som vist i figur 1 (a), overfladen dækket med gylden brun Ta-carbid, gennem figur 1 (b), materialet er en blanding af TaC og Ta2C, selvom overfladen af ​​de dannede mikron tykt karbid, men enkeltlags grafen kan stadig vokse. Figur 1 (C) viser grafen efter overfladeoverførsel af Ta, som er meget lig monolagsgrafen efter overfladeoverførsel af Cu, hvilket indikerer, at grafen dyrket af Ta sandsynligvis også er monolag. Dette skyldes, at Ta-carbonadsorptionen ligner Ni, begge kan absorbere noget af kulstoffet i varmen ind i kælderen, for Ni, opløseligheden af ​​kulstofreducerende, afkøler det med kulstofsegregeringen i overfladen af ​​flerlagsgrafen derved, og opløses. i Ta C-formen stabile carbider er kulstofabsorptionen for temperaturændringer irreversibel, så det fører til vækst af enkeltlagsgrafen. Selvom antallet af grafenlag ved 1000 ℃ er relativt ensartet, er kvaliteten af ​​grafen dårlig. I fig. 1 (d), er 2D-top næsten usynlig, mens I2D/IG (og ID/IG) forholdet for grafen dyrket ved 3000 ℃ i FIG. 1 (e) er højere (og lavere) end den i fig. 1 (d), så den høje temperatur forbedrer kvaliteten af ​​grafen. Forholdet mellem Raman-atlas er inkonsistent med standard monolagsgrafen, hvilket kan skyldes, at monolagsgrafenet, der vokser på Ta-substrat, er uordnet.

Efterfølgende undersøgte forskergruppen det ildfaste metal Re (smeltepunkt: 3186 ℃), som ikke dannede carbider. Et lignende vækstskema blev brugt, og produkterne blev overført til dannelse af grafen ved 1000°C (FIG. 2a) og grafit ved 3000°C (FIG. 2b), hvilket er væsentligt forskelligt fra grafen dyrket ved høj temperatur på overfladen af ​​Ta. . Så forskningen i dette emne systemtemperatur på Re væksten af ​​grafenoverfladen, som vist i figur 3, fra 1200 ℃ til 1400 ℃ temperatur, forbedret grafenkrystallernes kvalitet, hvilket kan reduceres fra 1350 cm - 1 D top, den stigende 2 D peak og skærpelse for at bevise, men når temperaturen er over 1500 ℃, afkølet begyndte at blive mere og mere signifikant effekt af kulstofsegregering, gør grafen fortykkelse. Derfor, når andre forhold forbliver uændrede, er den optimale væksttemperatur for grafen på overfladen af ​​Re 1400 ℃.

Endelig konkluderede undersøgelsen, at den høje væksttemperatur i et vist omfang faktisk er befordrende for væksten af ​​grafen, og denne ændring er særlig vigtig for metalsubstratet, som er let at danne carbider. Men fra et synspunkt om produktionsomkostninger og produktkvalitet er der stadig ingen åbenlys fordel sammenlignet med almindeligt kobber og nikkel, så denne undersøgelse kan betragtes som et grundlæggende supplement til CVD-dyrkning af grafen.