石墨烯研究新突破!显著加速二维材料生长方法问世

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7月22日,记者了解到,来自韩国蔚山国家科学技术研究院、北京大学、电子科技大学和珍国科学技术大学的研究人员,在Nature Chemistry上发表了一篇论文,证明了具有最强吸引电子能力(即电负性)的氟,并能加速有一种具有代表性的二维材料生长的化学反应。这有一种二维材料是:石墨烯、六方氮化硼(h-BN)和二硫化钨(WS2)。氟只并能 有有三个小 电子就能获得很高的稳定性,并且 在它原子最外层的轨道上有7个电子,与或多或少元素相比,那此价电子的距离也是最小的。这就说 由于 ,氟的价电子与原子的结合比或多或少原子都强,这也使氟成为元素周期表中最活跃的元素。

亲们知道,物理学界直到2004年才知道二维材料石墨烯的占据 。快进到2019年,科学家们探究了或多或少列的二维材料,以期发现更多的基本属性。那此新型二维材料有着令人着迷的内部管理——只有好多个原子如此厚的材料,工作土妙招 与三维材料截然不同。除了具有独特的导电和光学性能,二维材料的柔韧性也为下一代技术(怎么弯曲和可穿戴设备)开辟了新的应用。

如此,重点是那此呢?在用化学气相沉积法(CVD)制备二维材料时,像温度、压力、前驱体类型、流速等或多或少参数都并能 考虑在内。可能性涉及到多种反应,在反应过程中好难优化所有因素,并找到它们的最佳组合。也就说 我说,二维材料的合成好难控制。科学家们试图采用不同的基质、原料和温度来加速二维材料的生长。然而,很少有二维材料并能合成为大面积、高质量的薄膜。

局部加入氟来有有助于于石墨烯生长的实验设计示意图

氟的局部供应调节石墨烯生长的示意图

实际上,诸如氢或氧等活性乙炔气体体都被广泛用于调节石墨烯和或多或少二维材料的生长。“为那此不试试最活跃的元素氟呢?最强的电负性使得氟可不并能 与元素周期表中几乎所有原子形成键,就说 亲们猜测,它应该会改变就说 化学过程的反应路径。”论文通讯作者Feng Ding教授说。

实验时,可能性在反应器中的氟具有高毒性,就说 在材料生长过程中加入氟是不可取的。为了处里這個 问提,科学家们如此直接使用氟气,就说 我在空间上限制氟的供应,最终只消耗了至少量的氟。亲们将金属氟化物基质(MF2)置于铜箔下方,铜箔之间的间隙非常狭窄。在高温下,氟自由基从氟化物表皮层释放,在空间上被限制在铜箔和金属氟化物基质之间的狭缝中。令人惊讶的是,从前有有三个小 简单的变化,就说 由于 石墨烯以每分钟12毫米的高度生长,这是有有三个小 破纪录的高度。从這個 高度来说,這個 新土妙招 可不并能 将10cm2石墨烯的生长时间,从前一天 的10分钟缩短到现在的3分钟。

该土妙招 完整改变了甲烷的分解路径。可能性金属氟化物表皮层释放的氟很容易与甲烷乙炔气体体反应,在铜箔和BaF2基质之间的间隙中就会有足够量的CF3F或CH2F2分子。那此分子比CH4更容易在铜表皮层分解。换言之,它们通过提供更多的活性炭自由基(即CH3、CH2、CH和C),来有有助于石墨烯更好地生长。进一步的实验研究表明,這個 氟的局部供应策略还能极大地加快或多或少二维材料的生长,比如h-BN和WS2。

石墨烯内部管理域生长的扫描电镜图像。图像显示,2秒内足以使有有三个小 内部管理域生长到40μm,5秒内即可生长到约1 mm。该土妙招 的生长高度比一般的土妙招 快有有三个小 数量级以上,比此前连续供氧法的最快生长记录并能 快三倍多。

科学家们也研究了在空间上限制氟的供应,是怎么加速二维材料生长的。理论研究表明,氟具有很高的活性,很容易与甲烷分子产生相互作用。氟的占据 由于 了CF3F或CH2F2分子的形成。那此高活性的分子更容易在铜箔表皮层分解,这就大大加快了石墨烯快速生长所必需的炭的供应。

尽管氟有有助于于h-BN和WS2生长的具体机制尚不清楚,但研究者相信,氟的占据 可不并能 显著改善二维材料生长的反应过程。“亲们猜想,氟的局部供应并能有有助于于多种二维材料的快速生长,可能性并能使新型二维材料的生长成为可能性,这通过或多或少土妙招 是好难实现的。”Feng Ding教授说。除了氟化物之外,还有硫化物、硒化物、氯化物和溴化物等多种别的基质,都可不并能 在不同的二维材料生长中起到之类的作用。