具有不同扭曲角度的大面積均勻雙層石墨烯(BLG)的合成引起了人們的廣泛興趣，但由于普遍存在的層加島生長和無法控制的層旋轉，BLG仍然是一個挑戰。利用實時表面成像技術，采用逐層生長的方式在Ni(111)薄膜上實現了兩步碳偏析，很好地控制了薄膜的均勻性和堆積結構。取向的第一層石墨烯通過熱力學極限過程在850°C形成，然后降低溫度生長第二層，最終分別在790°C和720°C實現了極其均勻的15°扭曲的BLG和720°C的AB堆積的BLG。從本質上講，生長動力學被認為決定了對于不同的堆積結構，在相對較高的溫度下，非取向的第二層比取向的第二層更具動力學優勢，但在較低的溫度下，情況正好相反。這項工作傳達了對均勻BLG和調諧堆積結構的可控集成的基本動力學理解。
圖1.通過UHV-CVD在Ni（111）上生長石墨烯層。（a–c）通過暴露于700°c下的5×10
–7毫巴C
2H
4，在清潔的Ni（111）表面上生長石墨烯覆蓋層的原位LEEM圖像快照。起始電壓（STV）=6.3 eV。（d–f）分別從（c）中的區域1至3獲取的μ-LEED圖案。STV=46 eV。所有標尺均為5μm。
圖2.石墨烯層分解并溶解在Ni（111）上。（a–e）在900°C下加熱石墨烯層時記錄的原位LEEM圖像快照。STV=9.6 eV。（f） μ-石墨烯覆蓋層消失后Ni（111）表面的LEED圖案。STV=46 eV。所有標尺均為3μm。
圖3.通過偏析在Ni（111）上生長均勻排列的單層石墨烯。（a–d）當溫度從900°C降至850°C時，記錄LEEM圖像快照。STV=5.8 eV。（e–g）分別為（d）中1區至3區的μ-LEED圖案。STV=46 eV。（h） 由排列的單層石墨烯覆蓋的Ni（111）表面的示意性原子結構。所有標尺均為5μm。
圖4.通過偏析在Ni（111）上均勻生長15°扭曲的第二石墨烯層。（a–h）LEEM圖像快照記錄了當溫度從850°C降至790°C時，生長的第一層石墨烯下方第二層石墨烯的形成。STV=9.9eV。（i–k）μ-（h）中1區至3區的LEED圖案。STV=46 eV。黃色菱形表示第一層石墨烯，藍色菱形表示第二層石墨烯。（l）15°扭轉BLG示意圖。所有標尺均為5μm。
圖5.通過偏析在Ni（111）表面上生長對齊的第二層石墨烯。（a–h）LEEM圖像快照記錄了當溫度從850°C降至720°C時，第二層石墨烯和生長的第一層石墨烯的形成，STV=5.8 eV。（i–k）μ-LEED圖案，分別位于（h）中1區至3區，STV=46 eV。（l） AB堆疊BLG示意圖。所有標尺均為5μm。
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圖6.BLG動態增長的演示。（a）分別遵循SK和FM生長模式的石墨烯生長行為的示意圖。（b） DFT計算結果：從0°到30°的一系列扭轉角的BLG形成能量，以及具有典型扭轉角（包括0°、10°、15°和30°）的BLG的優化表面原子結構。第一層完全覆蓋的對齊石墨烯和第二層石墨烯分別涂成灰色和黃色。（c）在Ni（111）表面上合成的15°扭曲和排列的第二石墨烯層的定性Arrhenius圖。（d）在第二層，取向和非取向石墨烯之間的溫度依賴性生長競爭。
相關研究成果由蘇州納米技術與納米仿生研究所Yi Cui等人2022年發表在The Journal of Physical Chemistry Letters (https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02767)上。原文：In Situ Growth Dynamics of Uniform Bilayer Graphene with Different Twisted Angles Following Layer-by-Layer Mode。
轉自《石墨烯研究》公眾號
