晶粒尺寸调控石墨烯研究取得新成果

日前，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室高级碳材料研究部石墨烯研究团队的最新研究成果发表。相关论文发表在2月16日的《自然通讯》在线版上。

晶界是化学气相沉积法制备的大面积石墨烯薄膜中常见的缺陷。透彻理解晶界对石墨烯电学和热学性质的影响，对于石墨烯基电子、光电和热电器件的发展具有重要意义。

“虽然有许多关于单个晶界对石墨烯性能的影响的研究，但是在宏观尺度上，晶粒尺寸对石墨烯的电学和热学性能的影响仍然不清楚。主要原因是基于传统沉淀(镍基质)或表面吸附生长(铜基质)机制的化学气相沉积生长方法不能在大范围内控制石墨烯的晶粒尺寸，尤其难以制备晶粒尺寸小于电子和声子平均*程(约1微米)的小晶粒石墨烯。”该论文的第一作者、金属研究所博士生马腾告诉《中国科学》。

石墨烯研究小组采用碳溶解适中的铂片作为生长基质，并基于“沉淀-表面吸附生长”的原理开发了化学气相沉积法。通过改变沉淀温度来控制石墨烯的成核密度，可以制备出晶粒尺寸在~ 200nm ~ 1 μm范围内均匀可调、晶界拼接良好的高质量单层多晶石墨烯薄膜。

在此基础上，研究小组还获得了晶粒尺寸对多晶石墨烯电导率、热导率、晶界电阻率(~ 0.3 kW微米)和晶界热导率(~3.8×109 Wm-2K-1)的影响规律。发现减小晶粒尺寸会导致热导率的显著降低，但对电导率的影响很小。

Marten指出，根据影响规律研究小组的计算，当石墨烯的粒径从1毫米减小到5纳米时，热导率的衰减可达300倍，而电导率的衰减仅为10倍左右，热导率和电导率随粒径变化的变化率高于典型的半导体热电材料。上述结果可为通过粒径工程控制石墨烯的电学和热学性质以及实现其在电子、光电和热电领域的应用提供有益的指导。(沈春雷)

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年2月27日)