開發高質量單晶石墨烯一直是二維材料領域引人注目的研究熱點。克服生長停止是推進單晶石墨烯生產的一個重大挑戰。本文基于單晶生長理論，研究了維持穩定、一致生長驅動力的方法。對比分析表明，與穩定壓力條件下生長的樣品相比，每種動態調節方法都顯著增加了石墨烯的尺寸。高質量石墨烯的晶粒尺寸從~ 400 μm顯著增加到~ 3 mm。此外，通過實驗測量和數值模擬研究了環境壓力對溫度和流場的影響。考慮了壓力對邊界層和反應速率常數的影響，闡明了環境壓力動態調節的機理。最終，在考慮過冷ΔT和過飽和Seff的基礎上，通過誘導環境壓力p的單獨參數，建立了晶體生長動力學理論。由于直徑的膨脹和力學性能的提升，制備了具有穩定信號響應（52 dB）和優越的最小檢測壓力(20 kHz （87 μPa/Hz
1/2）的雙層石墨烯法布里-珀羅干涉（1100 μm）傳感器。這種在晶體生長過程中調節環境壓力的創新方法，使單晶石墨烯在未來的技術中具有優越的結構和性能，并為其他二維材料的生產提供了見解。
圖1. (a)石墨烯生長過程示意圖，包括溫度、氣體流量和室壓分布。(b)不同室壓和CH
4流量下CVD實驗結果統計。(c) 0.5, (d) 0.75, (e) 1atm壓力下在銅箔上生長的石墨烯的數字圖像和（f-h）相應的光學顯微鏡（OM）圖像。
圖2. (a)三種不同動態環境壓力調節方法的簡化說明。(b)石墨烯在不同調控方法下的成核密度和晶粒尺寸。(c) P
1, (d) P
2和(e) P
3三種壓力調節下在Cu上生長石墨烯的數字圖像。（f-h）與面板(c) - (e)對應的生長石墨烯的OM圖像。（i, j） P
3制備的石墨烯在CH
4擴展流量為50 sccm時的OM圖像。
圖3. 通過動態調節室壓力制備的毫米級石墨烯的拉曼映射：(a) I
G, (b) I
2D, (c) I
2D/I
G。(d)石墨烯的I
2D/I
G直方圖。(e)石墨烯轉移到Cu柵格的TEM圖像。(f)面板(a)中石墨烯邊緣的HRTEM圖像。（g - j）從石墨烯的不同位置獲得相應的SAED圖案，(g)中的插入顯示了沿線衍射斑點的強度。(k)石墨烯在峰值力攻絲模式下的AFM圖像。(l)生長石墨烯的典型力-位移曲線。
圖4. （a-d）實驗測得的三種典型環境壓力值下的溫度分布。(e)用于計算流體動力學（CFD）模擬的CVD實驗設備的3D模型。(f) CFD模擬計算石英管內三腔壓力條件下的溫度分布輪廓。石英管壁面溫度分布曲線(g)和石墨烯樣品周圍溫度分布曲線(h)。
圖5. (a)三腔室壓力條件下流場分布輪廓。(b)石墨烯反應位置流速分布圖。
圖6. 在Cu襯底上動態調節環境壓力制備的石墨烯示意圖：(a) 0.5, (b) 1, (c) 0.75 atm。
圖7. (a) DFPI光纖傳感器原理圖及光傳播方向示意圖。(b) PMMA層AFM圖像。(c)不同厚度的石墨烯膜與PMMA -石墨烯復合膜反射率的關系。（d, e）不同參數下DFPI傳感器頻域信號對比。(f) 2層單晶石墨烯- 240 nm PMMA復合薄膜傳感器在20 kHz低聲壓下的輸出信號。
圖8. (a) 2層石墨烯- pmma復合薄膜傳感器在19khz時的頻域信號和(b)時域頻譜。
相關研究成果由山東大學
Li Sun、Xian Zhao和Xuejian Xie課題組2024年發表在
ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c16003)上。原文：Breaking the Thermodynamic Equilibrium for Monocrystalline Graphene Fabrication by Ambient Pressure Regulation
轉自《石墨烯研究》公眾號
