通过化学气相沉积合成石墨烯

Bridget Cunningham 2014年 11月 6日

随着诸多应用中对石墨烯使用的不断增长,过去几年中,市场上对它的需求也在不断上涨。这也进一步推动了石墨烯合成方法背后的研究工作,其中之一是化学气相沉积 (CVD)。在本篇博客中,我们将介绍一个研究团队如何使用模拟来分析和增强 CVD 石墨烯生长机制。

满足对石墨烯的需求

您很可能曾在新闻里听到过“石墨烯”这个词,当然也可能多次在我们的博客里读到过它,报道一般会提到它们在促进各行业技术进步方面的巨大作用。我们并非每天都能发现类似石墨烯这样独特和强大的材料,现在我们可以很有信心地说全世界都已经注意到了这种材料。

石墨烯结构示意图。
石墨烯结构,图片由 K. M. Al-Shurman 和 H. A. Naseem 提供,取自他们撰写的论文”镍制薄膜上的 CVD 石墨烯生长机制“。

石墨烯是一个与许多人相关的话题,包括我们自己。在最近的一个博客系列中,我们强调了这种材料背后的革命,从它的特性和生产方法,到模拟它在各种应用中的使用情况。

我们在该系列的最后一篇博客中强调了“神奇材料”的研究工作,正是这种研究帮我们在无意中发现了二维玻璃这种材料。虽然材料发现本身就是一件非常了不起的成就,在这里我却想重点介绍下他们在研究中实际使用的石墨烯生长方法,即化学气相沉积 (CVD)。

化学气相沉积背后的科学

化学气相沉积描述了这样一种化学工艺,它设计用来制造拥有很高强度的高纯度固体材料。在本方法中,气体分子在包含一个加热基底的反应室中被结合在一起。气体和加热基底之间的相互作用使气体在基底表面发生反应和/或在基底表面分解,进而制造出材料薄膜。

本合成方法能够制造出相当高品质的材料,所以非常有用。相对其他涂层方法,化学气相沉积中得到的材料往往具有更高的纯度和硬度,并更抗震或抗损坏。本方法的另一个优势是可沉积多种材料,石墨烯就是其中之一。

石墨烯合成

在各种合成技术中,化学气相沉积已被证实在开发高质量石墨烯膜方面拥有广阔的前景。本工艺是指在由过渡金属制成的不同基底上生长石墨烯膜,比如镍 (Ni)。这涉及到分解的碳原子在高温下向镍中的扩散,以及在冷却过程中碳原子在镍表面的析出。

由于 CVD 方法中生长条件的多样性,单层石墨烯的生产以及对石墨烯膜质量的控制就变得相当有挑战性。阿肯色大学的一个研究团队认识到了更好地理解石墨烯生长机制以及石墨烯生产最佳条件的必要性。

理解 CVD 石墨烯生长机制

研究人员使用 COMSOL Multiphysics 开发了一个石墨烯合成模型,以分析镍上 CVD 石墨烯生长的溶解-析出机制。在研究中,他们分析了会影响合成石墨烯层数的因素,包括生长时间与温度、冷却速率、镍中的碳溶解度,以及镍膜厚度。

通过化学气相沉积在镍 (Ni) 上实现石墨烯生长。
在镍上进行 CVD 石墨烯生长的机制示意图。图片来自于由 K. M. Al-Shurman 和 H. A. Naseem 制作的海报”镍制薄膜上的 CVD 石墨烯生长机制“。

在分析碳原子的扩散时,团队发现 Ni 膜内的温度越高,扩散过程越快。根据结果,他们总结出需要更多时间使碳原子在更厚的 Ni 膜中达到饱和态。

此外,研究人员还模拟了由冷却造成的过饱和。在过饱和过程中,碳原子在 Ni 薄膜表面被分开。将薄膜从 900°C 冷却至 725°C 时,即可在膜表面得到 1.7 层石墨烯。得到的石墨烯层数已证实相对实验数据很合理。

绘图显示了的沉积层数。
绘图重点显示了当 Ni 膜从 900°C 冷却至 725°C 时生成的层数。 图片来自于 K. M. Al-Shurman 和 H. A. Naseem 所做的演讲展示”镍制薄膜上的 CVD 石墨烯生长机制” 。

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