刘云圻课题组在大面积纯单层电学性能均匀的单晶石墨烯制备方面取得新进展

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石墨烯自2004年被发现及2010年被授予诺贝尔奖以来，获得了持续的关注与广泛的研究。完美的石墨烯具有极高的载流子迁移率和广泛的应用前景。围绕着高质量石墨烯的制备，化学气相沉积法被广泛采用。然而，所制备的大面积石墨烯中普遍存在多层石墨烯孤岛，如何制备大面积纯单层高质量石墨烯，一直是领域内关注的难点与热点。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所有机固体院重点实验室刘云圻院士团队相关科研人员长期围绕石墨烯等二维材料的可控制备及性能开展研究，并取得了系列成果（ACS Nano 2018, 12, 1778–1784; Adv. Mater. 2019, 31, 1805582; ACS Nano 2020, 14, 9320–9346)。

单晶石墨烯

图1. （a）循环抛光退火示意图；（b）选择刻蚀样品拉曼面扫图；（c）转移到基底上的大面积纯单层石墨烯；（d）太赫兹时域光谱测试结果。

　　近期，该课题组开发了一种“循环电化学抛光结合高温退火”的方法，成功制备了大尺寸（4 × 32 cm2）单晶Cu(111) 基底（图1），并对过程中晶粒长大与晶界演变相关机制进行了研究。Cu(111)晶面与石墨烯具有极低的晶格失配率，是石墨烯定向生长、无缝拼接成高质量薄膜的理想衬底之一。在此基础上，采用两步碳源浓度供给的“自下而上选择性刻蚀”策略成功制备了大面积单层单晶石墨烯（17 cm2），所得实验结果与密度泛函理论（DFT）计算和相场模型模拟的选择性刻蚀过程吻合较好。此外，他们与丹麦科学技术大学Peter Boggild课题组合作，采用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对石墨烯的电学性质及其均匀性进行表征，结果表明所得样品载流子迁移率较高且电学均匀性好，薄膜平均面电导率为2.8 mS，大面积平均载流子迁移率为6903 cm2V–1s–1。相关研究成果近期发表在Advanced Materials上（2022, 34, 2108608. DOI: 10.1002/adma.202108608)，并被选为同期插页（图2）。该论文第一作者为中丹学院博士生姚文乾，共同第一作者为中丹学院硕士毕业生张家宁，通讯作者为武斌研究员、董际臣研究员和刘云圻院士。


        文章来源：化学所
        刘云圻研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。 1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。发表SCI论文500余篇(其中130余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用2万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告100余次。2007，2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014, 2015和2016年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。现为科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，和担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等6种期刊的编委/顾问委员会成员。
       武斌，中国科学院化学研究所研究员。在Nature Materials, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., ACS Nano, NPG Asia materials等国际著名期刊发表SCI论文50多篇,引用2600余次。2017年度获得北京市自然科学一等奖（排名第三）。
      董际臣，研究员, 百人计划，中科院化学所有机固体实验室。2010年6月于山东大学材料科学与工程学院获得理学学士学位，2013年6月于山东大学材料科学与工程学院获得工学硕士学位，2016年10月于香港城市大学机械与生物医药工程学院获得博士学位（导师：张开黎教授、丁峰教授）。2016年11月至2020年10月于韩国基础科学研究院多维碳材料中心进行博士后阶段的研究工作。2020年11月中科院化学所，中科院百人计划学者。主要从事二维纳米材料合成、纳米材料的力学及电学性质等领域的研究；近年来致力于二维纳米材料制备机理、低维纳米材料的力学及电学行为等方面开展了系统深入的工作，取得了系列重要进展。自2010年以来共发表SCI收录论文33篇，其中第一作者和通讯作者15篇，包括Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，Adv. Mater.，ACS nano, Chem. Sci.，NPG Asia Materials，Nano Res.，Nanoscale，Nano Energy，Phys. Rev. Materials，J. Phys. Chem. C等; 以理论合作者身份与实验组共同发表高水平论文，包括Science两篇,Nature一篇,Nature Nanotech.一篇等。全部论文近年总引用近900次，他引860余次。