以化學(xué)氣相沉積法生長的石墨烯薄膜具有不同尋常的物理和化學(xué)性質(zhì)，有望應(yīng)用于柔性電子和高頻晶體管等領(lǐng)域。然而，因?yàn)榕c基板的強(qiáng)耦合，在其生長過程中總會形成褶皺，這限制了薄膜的大規(guī)模均勻性。本研究開發(fā)了一種質(zhì)子輔助的化學(xué)氣相沉積方法來生長無褶皺的超平坦石墨烯薄膜。所提出的質(zhì)子穿透和重組形成氫的方法也可以減少石墨烯在傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積過程中形成的褶皺。由于范德瓦爾斯相互作用的解耦，以及與生長表面距離的增加，一些褶皺完全消失了。石墨烯薄膜的電子帶結(jié)構(gòu)呈V形狄拉克錐，原子平面內(nèi)或原子臺階間呈線性色散關(guān)系，證實(shí)了與襯底的解耦。石墨烯薄膜的超平坦特性使其表面在濕法轉(zhuǎn)移后仍然易于清潔。在線寬為100微米的器件中，即使在室溫下也會出現(xiàn)強(qiáng)大的量子霍爾效應(yīng)。用質(zhì)子輔助化學(xué)氣相沉積法生長的石墨烯薄膜可在很大程度上保持其固有性能，我們的方法應(yīng)可方便地推廣到應(yīng)變和摻雜設(shè)計(jì)的其他納米材料上。
Figure 1. （a）冷卻時，在收縮銅表面的原子臺階（或粗糙區(qū)域）上形成皺紋的示意圖。（b）圖解說明在CVD生長期間將石墨烯從其基底上脫偶聯(lián)時，皺紋的消失。
Figure 2.（a）質(zhì)子滲透和氫去耦合模型；（b）不同密度的復(fù)合氫鍵態(tài)的理論模擬。經(jīng)過不同處理后，Cu(111)上起皺的石墨烯薄膜的典型AFM圖像：（c）通過CVD生長的表面；（d）ICP在400°C之后；（e）ICP在650°C之后；（f）400°C下UHV退火；插圖是AFM相位圖像。（g）相同皺紋的高度輪廓，沿c–f中粉紅色標(biāo)記的線截取。（h）生長的石墨烯薄膜的典型拉曼光譜以及經(jīng)過ICP處理后的石墨烯的拉曼光譜。所有AFM圖像都使用相同的-5 nm至5 nm的高度條，而c–f中的長度比例條均為1μm。
Figure 3. 質(zhì)子輔助生長的無皺紋和準(zhǔn)懸浮石墨烯薄膜。（a）在Cu(111)上生長的4英寸石墨烯薄膜的照片；插圖：典型的AFM圖像。（b）石墨烯生長后基材的典型光滑度：銅箔、起皺的石墨烯薄膜覆蓋的Cu(111)、以及由ICP-CVD生長的石墨烯薄膜覆蓋的Cu(111)。（c）從ICP-CVD生長的薄膜和其他起皺樣品中多個點(diǎn)獲得的ω
G和ω
2D的分布，以及懸浮膜（黑色固體）作為參考。（d）橫跨Cu(111)原子臺階的ICP-CVD生長石墨烯薄膜上的STS光譜。（e）質(zhì)子輔助下，在Cu(111)上生長的石墨烯薄膜的ARPES，以及ICP處理前后的起皺樣品。比例尺：插圖（a）為2μm；（d）為2 nm。
Figure 4. 超平石墨烯薄膜具有易清潔的特性和強(qiáng)大的QHE。（a）Δω
G和Δω
2D是從ICP處理前后的皺紋石墨烯的拉曼原位測量中提取的，并以ICP-CVD生長的石墨烯作為參考。（b）在超高壓退火之前和之后，提取的轉(zhuǎn)移到Cu(111)上的石墨烯的Δω
G和Δω
2D；在高溫下進(jìn)行UHV退火后，Δε/ΔT值對溫度變化敏感。（c）標(biāo)準(zhǔn)濕轉(zhuǎn)移程序和UHV退火后，轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜上殘留的NPs。插圖為典型AFM圖像。（d）在室溫下，磁場B=7.5T時，可以輕松觀察到大型超平石墨烯薄膜的穩(wěn)健QHE和霍爾平臺。插圖，光學(xué)圖像。比例尺：插圖c為1 μm；插圖d為100 μm
相關(guān)研究成果于2020年由南京大學(xué)高力波教授課題組，發(fā)表在Nature（doi.org/10.1038/s41586-019-1870-3）上。原文：Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films。
