在實際應用中，絕緣襯底上直接合成石墨烯是非常重要的。這里，提出了一種在石英上制備石墨烯的新方法，該方法能夠在不涉及金屬的情況下，直接生長高質量和大規模的石墨烯薄膜。由于碳物種的低催化活性和緩慢的擴散速率，石墨烯在絕緣襯底上的生長速率通常非常慢。因此，需要添加額外的催化劑。這里利用高缺陷石墨烯薄膜代替金屬元素（如銅、鎳和鎵），用作甲烷分解的催化劑。該方法的關鍵特征是碳種類本身被用作制備石墨烯的催化劑，這完全避免了其他元素的污染。結果顯示，與傳統的CVD方法相比，該石墨烯薄膜的生長速率顯著增加。通過一系列實驗驗證了該石墨烯玻璃的優異質量，該過程無需任何轉移過程。此外，利用第一性原理計算探索了甲烷分解的能壘，進一步證實了高缺陷石墨烯薄膜的催化行為。
Figure 1. (a)化學氣相沉積法實驗過程；（b）對比實驗設計示意圖；(c)高缺陷石墨烯片的拉曼光譜；(d)催化板和襯底之間窄間隙的SEM圖像。
Figure 2. DG-CVD法與常規法合成石墨烯薄膜的比較。（a-b）石英襯底上石墨烯的拉曼光譜。（c-d）D峰和G峰強度比的拉曼圖譜。（e-f）2D峰和G峰強度比的拉曼圖譜。
Figure 3. 在石英襯底上生長的石墨烯薄膜的形態表征。（a-c）通過DG-CVD過程在不同生長時間獲得的石墨烯的SEM圖(1130℃)。（d-e）通過DG-CVD過程在不同生長時間獲得的石墨烯的SEM圖(1170℃) 。（f）常規方法生長的石墨烯的SEM圖（1170℃，60min）。
Figure 4. 石墨烯玻璃的表征。(a-b)單層的HRTEM圖像，比例尺為5 nm。（c）生長在石英上的石墨烯玻璃的C 1s XPS光譜。(d)不同H2流量下，DG-CVD過程之前（頂部）和之后的石墨烯玻璃照片。
Figure 5. DG-CVD法合成石墨烯玻璃的應用。（a）透明加熱裝置的表面溫度測量（輸入電壓：25V）。（b）原始石英玻璃和石墨烯玻璃接觸角和透光率的相關性。
該研究工作由北京大學Ziqiang Zhao課題組于2021年發表在Carbon期刊上。原文：Highly-Defective Graphene as a Metal-Free Catalyst for Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene Glass。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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