Pour étudier la croissance du graphène à la surface des métaux réfractaires

08 avril 2020

Le graphène est le dernier membre de la famille des matériaux carbonés. Avec une structure bidimensionnelle parfaite et d'excellentes propriétés électriques et optiques, le graphène a de larges perspectives d'application dans les domaines des semi-conducteurs, du photovoltaïque, de l'automobile, des nouvelles énergies, de l'aérospatiale et d'autres domaines. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une méthode importante pour la croissance de matériaux bidimensionnels, développée depuis plus de 10 ans. La croissance du graphène par CVD est devenue de plus en plus la méthode la plus importante pour la préparation de films monocristallins ou de graphène de grande surface et de haute qualité.

De grandes surfaces de graphène sont généralement cultivées par CVD sur des substrats de catalyseurs Cu ou Ni à 1000 XNUMX °C, mais la croissance du graphène à des températures plus élevées a rarement été rapportée. Récemment, le groupe de recherche du professeur Guo Weiling de l'Université de technologie de Pékin a étudié systématiquement la croissance du graphène sur des métaux réfractaires, c'est-à-dire des métaux à point de fusion extrêmement élevé, et a donné en détail les paramètres de croissance et les résultats de caractérisation. La question fondamentale de cette recherche est la suivante : la température élevée peut-elle améliorer la qualité du graphène CVD ?

Tout d'abord, le groupe a analysé théoriquement qu'une température élevée dans la croissance par méthode CVD du graphène est bénéfique, car la température élevée conduit à une densité de nucléation plus faible, peut fournir une énergie plus élevée, renforcer la surface de diffusion des atomes de carbone et surmonter les atomes de carbone. la barrière énergétique et se combinant au réseau de base métallique, puis cela est vérifié par expérience. Le groupe de recherche a sélectionné des substrats de métaux réfractaires en tantale (Ta), rhénium (Re), niobium (Nb), tungstène (W) et molybdène (Mo), dans lesquels la croissance de Nb, W et Mo était similaire à celle de Ta. Commencez par Ta (point de fusion 3017 ℃) comme base, Ar comme gaz porteur, H2 pour protéger le gaz, CH4 ou C2H2 comme graphène de croissance de source de carbone par méthode CVD, comme le montre la figure 1 (a), la surface recouverte d'or Carbure Ta brun, à travers la figure 1 (b), le matériau est un mélange de TaC et Ta2C, bien que la surface du carbure épais formé de microns, mais le graphène monocouche peut encore croître. La figure 1 (C) montre le graphène après transfert en surface de Ta, qui est très similaire au graphène monocouche après transfert en surface de Cu, indiquant que le graphène développé par Ta est également susceptible d'être monocouche. En effet, l'adsorption du carbone Ta est similaire à celle du Ni, les deux peuvent absorber une partie du carbone présent dans la chaleur dans le sous-sol, pour le Ni, la solubilité du carbone réduit ainsi son refroidissement avec la ségrégation du carbone dans la surface du graphène multicouche, et se dissout ainsi. dans les carbures stables sous forme de Ta C, l'absorption du carbone liée au changement de température est irréversible, ce qui conduit à la croissance de graphène monocouche. Bien que le nombre de couches de graphène à 1000 1 ℃ soit relativement uniforme, la qualité du graphène est médiocre. En figue. 2 (d), le pic 2D est presque invisible, tandis que le rapport I3000D/IG (et ID/IG) du graphène cultivé à 1 ℃ sur la FIG. 1 (e) est supérieure (et inférieure) à celle de la Fig. XNUMX (d), donc la température élevée améliore la qualité du graphène. Le rapport de l'atlas Raman n'est pas cohérent avec le graphène monocouche standard, ce qui peut être dû au fait que le graphène monocouche poussant sur le substrat Ta est désordonné.

Par la suite, le groupe de recherche a étudié le métal réfractaire Re (point de fusion : 3186 ℃) qui ne formait pas de carbures. Un schéma de croissance similaire a été utilisé et les produits ont été transférés pour former du graphène à 1000°c (figure 2a) et du graphite à 3000°c (figure 2b), ce qui est significativement différent du graphène cultivé à haute température à la surface de Ta. . Ainsi, la recherche de la température du système en question sur Re la croissance de la surface du graphène, comme le montre la figure 3, de 1200 ℃ à 1400 ℃ de température, la qualité des cristaux de graphène s'est améliorée, qui peut être réduite de 1350 cm - 1 D pic, l'augmentation du pic 2 D et de l'affûtage à prouver, mais lorsque la température est supérieure à 1500 ℃, le refroidissement a commencé à devenir un effet de plus en plus important de la ségrégation du carbone, rendant le graphène épaississant. Par conséquent, lorsque les autres conditions restent inchangées, la température optimale de croissance du graphène à la surface de Re est de 1400 XNUMX ℃.

Enfin, l'étude a conclu que, dans une certaine mesure, la température de croissance élevée est effectivement propice à la croissance du graphène, et ce changement est particulièrement significatif pour le substrat métallique qui est facile à former des carbures. Cependant, du point de vue du coût de production et de la qualité du produit, il n'y a toujours pas d'avantage évident par rapport au cuivre et au nickel courants, cette étude peut donc être considérée comme un complément de base à la culture du graphène par CVD.