想控制片層石墨生長？控制催化劑表面形態是關鍵！

材料牛注：二維納米石墨材料在許多電子器件上用途廣泛，而控制好它的性質，就能使其更好地為人們服務。日前，科學家們通過改進后的掃描電鏡對其生長方式進行了觀測，發現這種材料的生長和性能與其基底表面形態密不可分。

日前，英、美、德三國的研究人員利用掃描電子顯微鏡成功觀測并錄制到石墨烯在多晶金屬表面形核和生長的過程。石墨烯的生長會因金屬表面狀況的不同而產生不同的形狀和生長速率，這一現象為制備應用于特殊狀況下、有著規整結構和良好性能的石墨片層電子元件提供了可能，而上述研究成果正好為研究員觀察這一現象提供了便利。

多晶催化劑表面生長的石墨烯

催化生長的石墨（僅一層原子厚的片層石墨）以及其他多晶金屬表面由化學氣相沉積制備形成二維材料，是目前生產連續片層納米材料的最佳方法。更令人驚嘆的是，通過這項技術，我們可以制備具有與石墨烯相同電子特性的片層石墨，不僅如此，這種片層石墨可以在低成本多晶催化基底上延伸好幾個平方米。因此，這種催化劑的使用就顯得尤為重要，其結構直接影響了制備而成的二維材料的各項性能，包括厚度、面積以及缺陷密度。

然而，直到現在，科學家們也沒有弄明白，催化劑表面形態（也就是階梯線和晶界）是怎樣影響片層石墨的生長的。

觀察片層石墨的形核和生長

Robert Weatherup 領導了由英國劍橋大學和美國勞倫斯伯克利國家實驗室成員組成的研究團隊，該團隊利用一種經過改進的特殊掃描電鏡得到了片層石墨形核生長的影像資料。該技術為研究人員觀察碳氫化合物氣體（乙烯）氣氛下，激光加熱至1000℃后，多晶鉑金屬箔上片層石墨形核生長的狀態提供方便。

Weatherup解釋說，“碳氫化合物破壞催化劑表面，促使碳元素生長成為片層石墨。這一過程就是化學氣相沉積。因此，我們就能夠觀察并錄制石墨在不同晶型多晶表面生長的情況。運用電子衍射散射技術，我們就能夠控制不同催化劑晶粒定向生長的方向，并由此控制與之對應生成的片層石墨烯的形態和生長速率。”

材料的生長狀態難以用一般模型解釋

Weatherup告訴nanotechweb.org網站，材料晶體結構對其性能有著深遠影響，因而晶體生長的研究對材料工程領域尤為重要。“比如，在半導體產業中，大塊單晶硅被用作制作微芯片，從而避免晶界對元件電子性能的干擾和對微芯片上晶體管性能的影響。”

“片層石墨是限制在催化劑表面的二維晶體材料，因而我們通常用來解釋三維晶體材料生長的理論也就失靈了。現如今，新科技的飛速發展為我們研究納米晶體生長提供了便利，幫助我們研究和控制具有特殊性能的材料的生長。這點對發展二維及其他納米材料的先進應用起到至關重要的作用。”

更加的復雜結構

這一研究團隊的成員包括來自美國西北大學、德國哈伯研究所和英國國家物理實驗室的科學家們，他們聲稱其研究方向已經擴展至其他二維材料，如密排六方氮化硼材料。“這種材料的機理更加復雜，因為我們需要考慮氮和硼這兩種的組成元素的作用情況。通過對這些二維納米結構材料生長過程的觀察，我們對其形成和結合生長的復雜機制（如具有新型電子性能的垂直堆疊層）更加了解。”Weatherup解釋說。

原文鏈接：Catalyst surface affects graphene growth。

文獻鏈接：Electrochemistry tunes graphene synthesis (Jul 2015)
Graphene growth substrate tailors metal atom magnetism (Oct 2014)
Transition metal surface stabilizes graphene edge structures (Jun 2014)
Surface steps tailor graphene growth at low pressure (Feb 2013)

本文由編輯部趙丹提供素材，張文揚編譯，點我加入材料人編輯部。