如何對石墨烯納米片進行結構缺陷修補與縫合？

 

　　石墨烯的制備與結構控制一直是石墨烯領域研究的重點，這對于其在相關領域的應用至關重要。其中，電化學剝離石墨是一種高效低成本合成石墨烯納米片的有效方法。然而，該方法制備的石墨烯會存在大量的結構缺陷與官能團，結構的不完美導致其電學性質較低，從而受限其在電子器件領域的應用。因此，如何對電化學剝離得到的石墨烯納米片進行結構缺陷修補，提升其基本的電學性質，是石墨烯納米片現階段研究的重要挑戰之一。

 

　　【成果簡介】

 

　　最近，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的林正得研究員課題組與合作者采用一種退火工藝，實現了對石墨烯納米片的結構缺陷修復與片間的縫合生長，基于此可以在絕緣基板上直接制備高質量的石墨烯薄膜。研究人員介紹了一種簡單的、快速的退火處理方法，通過使用金屬鎳膜對獨立的石墨烯納米片進行結構缺陷修復，同時可以在納米片邊緣的部分新生長出石墨烯。該方法可以直接在絕緣基板上預先構建石墨烯納米片圖形，退火處理后實現圖案化的高質量連續的石墨烯。在該實驗方法中，獨立的石墨烯納米片可以作為成核區域，高溫過程中其自身局部的含碳團簇作為碳源通過鎳膜催化，在石墨烯納米片非飽和邊緣處生長;同時，石墨烯納米片的結構缺陷還可以被其進行修補，從而提高其整體的晶體結構質量和電學性能。退火后，石墨烯納米片拉曼光譜可以顯示出其結構缺陷峰基本消失，同時整體石墨烯的載流子遷移率可以超過1000 cm2 V−1 s−1，是該方法在銅膜催化作用石墨烯納米片的10倍，是直接高溫退火處理石墨烯納米片的近100倍。相關內容以題為 “High-Quality Monolithic Graphene Films via Laterally Stitched Growth and Structural Repair of Isolated Flakes for Transparent Electronics” 發表在Chemistry of Materials 上，文章的第一作者是中國科學院寧波材料技術與工程研究所的博士研究生孫洪巖，共同通訊作者為林正得研究員，李昕明博士和陳鼎教授。

 

　　【圖文導讀】

 

　　圖1. 絕緣基板上高質量石墨烯的制備過程

 

 

　　

 

 

 

　　(a) 直接在絕緣基板上制備高質量石墨烯薄膜的流程圖

 

　　(b) 石英基板上制備圖案化石墨烯薄膜

 

　　(c) 原始分散的石墨烯納米片SEM圖

 

　　(d) 退火處理后轉化的高質量完整石墨烯薄膜SEM圖

 

　　圖2. 石墨烯納米片的結構缺陷修補

 

　　

 

 

 

　　(a) 石墨烯納米片結構缺陷修復與邊緣生長高質量石墨烯薄膜示意圖

 

　　(b) 石墨烯納米片退火處理前后的Raman光譜圖

 

　　(c) 原始石墨烯納米片的D峰強度Mapping圖

 

　　(d) 退火處理后高質量石墨烯薄膜的ID/IG強度比Mapping圖

 

　　(e) 退火處理后高質量石墨烯薄膜的I2D/IG強度比Mapping圖

 

　　(f) 高質量石墨烯薄膜邊緣HRTEM圖

 

　　(g) 扭轉雙層石墨烯的SAED圖

 

　　(h) AB堆垛雙層石墨烯的SAED圖

 

　　(i) 扭轉雙層石墨烯(上)和AB堆垛雙層石墨烯(下)的SAED圖衍射斑點強度圖

 

　　圖3. 石墨烯納米片通過不同方式處理后的電學性能對比

 

　　

 

 

 

　　(a) 不同退火處理方式的Raman對比圖

 

　　(b) 不同退火處理方式的ID/IG強度比和I2D/IG強度比對照圖

 

　　(c) 不同退火處理方式的載流子遷移率柱形圖

 

　　圖4. 鎳和銅原子對石墨烯邊緣飽和H的吸附

 

　　

 

 

 

　　(a) 鎳和銅原子對石墨烯3種結構(A:armchair，B:transition region, C: zigzag)邊緣H吸附的模擬圖

 

　　(b) 采用第一性原理計算鎳和銅原子對石墨烯3種結構的邊緣H吸附能

 

　　圖5. 高質量石墨烯薄膜的光學和電學性能表征

 

　　

 

 

 

　　(a)-(e) 不同濃度石墨烯納米片分散液自組裝獲得的薄膜SEM圖

 

　　(f)-(j) 不同濃度石墨烯納米片分散液自組裝薄膜經過退火處理后得到高質量石墨烯薄膜的SEM圖

 

　　(k) 高質量石墨烯薄膜的紫外透光度對比圖(對應SEM圖 f-j樣品)

 

　　(l) 高質量石墨烯薄膜的透光度與方阻關系對比圖(對應SEM圖 f-j樣品)

 

　　(m) 高質量石墨烯薄膜的載流子遷移率對比圖(對應SEM圖 f-j樣品)

 

　　圖6. 在帶有溝槽的絕緣基板上制備高質量石墨烯

 

　　

 

 

 

　　(a) 高質量石墨烯薄膜在石英基板上的親/疏水性對比

 

　　(b) 直接在帶有溝槽的絕緣基板上制備高質量石墨烯薄膜示意圖

 

　　(c) 對比轉移石墨烯薄膜和直接生長石墨烯薄膜在帶有溝槽的絕緣基板上的利弊示意圖

 

　　(d) 在帶有溝槽的石英基板上制備連續的高質量石墨烯薄膜實物照片

 

　　【小結】

 

　　這項研究實現了一種對石墨烯納米片進行結構缺陷修補與縫合成膜的有效方法，并可以直接在絕緣基板制備實現圖案化制備石墨烯，相關方法有助于石墨烯納米片在電子和光電器件領域的應用。

 

　　文獻鏈接：High-Quality Monolithic Graphene Films via Laterally Stitched Growth and Structural Repair of Isolated Flakes for Transparent Electronics(Chemistry of Materials, 2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02348)