亞表面合金效應(yīng)對(duì)石墨烯外延生長初期階段碳成核的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能的調(diào)控.pdf

1、石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的具有蜂窩狀六角結(jié)構(gòu)的二維晶體，也被認(rèn)為是所有其它維度的石墨材料的基本構(gòu)成單元。由于它顯著的電子，機(jī)械和化學(xué)特性以及各種潛在的應(yīng)用，比如在電子學(xué)，光電以及化學(xué)和生物傳感方面，最近十年來在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注并掀起了石墨烯研究的熱潮。
　　對(duì)于所有這些潛在的應(yīng)用，前提要求是能夠經(jīng)濟(jì)、高效地合成制備出高質(zhì)量的單晶單層石墨烯。相應(yīng)地，各種合成大面積單層石墨烯的方法已經(jīng)建立起來：比如，碳化硅表面的石

2、墨化和在過渡金屬上的碳源（TM）的催化化學(xué)氣相沉積（CVD）法。在這些各種的方法中，CVD方法相對(duì)于其它方法具有鮮明的特征和優(yōu)勢，特別是能夠通過化學(xué)蝕刻方法很容易地把石墨烯從金屬襯底上轉(zhuǎn)移到其它基底上。因此CVD方法已經(jīng)成為制備大面積高質(zhì)量石墨烯的主要方法。然而，到目前為止，該方法大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯主要是多晶，形成的晶界會(huì)降低它們在實(shí)際應(yīng)用中的諸多功能。
　　在金屬襯底上用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的關(guān)鍵是C-金屬和C-C之間的相互

3、作用的微妙競爭關(guān)系。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，C-金屬的結(jié)合作用越強(qiáng)，C-C聚集和石墨烯成核就越困難。與此相反，C-金屬之間的弱相互作用使碳原子在金屬表面快速擴(kuò)散并在整個(gè)表面上多處成核，與此相應(yīng)，將導(dǎo)致不同取向的石墨顆粒聚結(jié)在一起時(shí)產(chǎn)生晶界，Cu表面上用CVD方法生長石墨烯便是一個(gè)典型例子。與此相應(yīng)，人們在選擇合適的襯底進(jìn)而改善石墨烯的成核、生長、以及抑制晶界方面上做了很多努力。例如，實(shí)驗(yàn)上最近人們在晶片級(jí)大小的氫鈍化的Ge(110)各向異性表面上

4、實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量單晶石墨烯的定向生長。另外，從理論計(jì)算表明表面合金Mn-Cu(111)超晶格結(jié)構(gòu)可以有效的抑制石墨片的取向無序。
　　在本文中，我們提出了另一種調(diào)制碳-金屬作用的新方法，即采用表面合金（SSA）效應(yīng)來調(diào)制C-金屬，C-C相互作用的相對(duì)強(qiáng)弱來調(diào)控C-C成核幾率以及石墨烯生長方向的有序度。這里提出的SSA襯底的最上面一層原子僅僅由一種元素組成，第二層原子由另外一種元素組成，這種結(jié)構(gòu)可能比已經(jīng)提出的表面的超結(jié)構(gòu)更易合成出來并

5、且比氫鈍化的 Ge(110)面具有更高的催化活性。以Rh(111)作為一個(gè)典型的例子，我們發(fā)現(xiàn)在 Rh(111)面上，兩個(gè) C原子更易于分離，與我們的直覺相反的是，當(dāng)表面第二層原子被Rh左邊的溶質(zhì)金屬元素（比如具有較高d-band中心的過渡金屬Ru和Tc）替代時(shí)，兩個(gè)C原子易于形成二聚體。但如果溶質(zhì)原子是比Rh更靠后的過渡金屬元素的時(shí)候，比如比較惰性的Pd和Ag元素時(shí)，兩個(gè)碳原子之間的排斥增加，阻礙石墨烯的成核。此外，亞表面合金效應(yīng)（S