金屬表面化學氣相沉積法生長石墨烯的機理研究

《金屬表面化學氣相沉積法生長石墨烯的機理研究》是依託中國科學技術大學，由李震宇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：金屬表面化學氣相沉積法生長石墨烯的機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李震宇
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

近兩年來，化學氣相沉積法已經發展成為製備石墨烯的一種重要手段。基於大量的實驗摸索，目前已發現碳源、金屬基底、壓強、溫度等條件都可以對石墨烯的生長過程以及最後所獲得的樣品質量產生顯著的影響。要發現其中的規律從而控制反應條件製備高質量的樣品就需要理解其中的生長機理。然而，目前我們對石墨烯氣相沉積生長的微觀機理仍然知之甚少。本項目主要利用電子密度泛函理論、分子動力學模擬、熱力學分析以及粗粒化模型等方法，研究與石墨烯生長相關的表面基元反應，模擬不同實驗條件下的生長過程，最終揭示石墨烯化學氣相沉積法生長的微觀機理，為探索最佳生長條件提供理論依據和指導。

結題摘要

本項目旨在通過綜合運用電子密度泛函理論、分子動力學模擬、熱力學分析以及粗粒化模型等多尺度方法，研究與石墨烯生長相關的表面基元反應，模擬不同實驗條件下的生長過程，最終揭示石墨烯化學氣相沉積法生長的微觀機理，為探索最佳生長條件提供理論依據和指導。在項目的資助下，我們在這些研究方向上取得了一些重要進展。具體包括：（1）發現晶格失配誘導的非線性生長行為的普適機理[JACS 2012, PRB 2013]。當石墨烯與基底間點陣失配較大時，生長前沿的化學環境不均一，幾何因素會決定生長動力學。（2）通過對石墨烯生長氣相動力學的研究，給出了樣品層數控制的新方法[J. Phys. Chem. C 2012, PCCP 2015]。在高溫下脫氫反應在氣相中就已經開始，通過簡單地調整石墨烯生長的位置就可以改變環境中自由基活性物種的濃度，從而實現對石墨烯樣品層數的控制。（3）研究了銅表面石墨烯生長的主要供給物種 [PRL 2015, Sci. Rep. 2014]。第一性原理計算表明，Cu表面石墨烯生長的主要供給物種是碳二聚體，而不是單個的碳原子。當生長環境含氫時，主要中間物種是碳氫化合物基團。（4）從理論上設計了一種生長高質量雙層石墨烯樣品的新方法[J. Phys. Chem. C 2014]。通過原子交換，碳原子可以穿過石墨烯到達Cu襯底，開始生長第二層石墨烯。因此，可以通過分步法實現高質量雙層石墨烯的生長。 這些研究成果以學術論文的形式發表在國內外學術期刊上，標註本項目的SCI論文總計17 篇。在國內外學術會議上做相關主題的邀請報告5 次，並受邀在Small雜誌撰寫相關綜述一篇。2015年12月10-12日，項目負責人在合肥組織召開了第一屆成核與生長機理國際研討會，其中海外邀請報告近20人。項目執行期間研究組畢業博士研究生5人、碩士研究生2名。博士畢業生武平獲2015年度中國科學院優秀博士論文獎。項目負責人作為主要完成者獲2014年度中國科學院傑出科技成就獎。總的來說，在基金委的資助下順利完成了本項目的預期目標。