【原】连续移动热线可以提高Cu/Ni(111)上生长石墨烯的结晶度

目前，实现单晶生长的策略可以分为两种主要方法：（i）促进横向生长从单个成核位置生长大的单晶粒；（ii）在催化金属基底上缝合排列的多个核。

第一种策略涉及通过抑制多个成核位点来降低成核密度以尽可能大地生长单晶粒石墨烯。近年来展示了几厘米级的单晶石墨烯。然而，这种策略的主要缺点是生长过程通常需要较长的生长时间，并且很容易被自限生长终止。

第二种策略涉及初始生长阶段在单晶或液态催化金属基板上单向排列石墨烯核，随后晶粒的缝合和合并可以形成没有晶界的单晶石墨烯。通过该策略获得的单晶石墨烯表现出更好的性能。然而，不规则区域，如晶界和衬底中吸附的杂质，会破坏催化金属衬底的排列，从而阻止石墨烯颗粒的完全排列。此外，如果没有非常小角度倾斜纳米晶粒（<1-2°）的适当旋转和合并，生长的单晶畴仍将包含许多点缺陷或非sp2键。

因此，实现具有更好结晶度单晶石墨烯的生长需要在远高于石墨烯已知生长温度（~1000°C）的特定热区下，进行局部而非全局结晶和动态碳吸附/解吸，并结合使用晶体排列的衬底。

克服上述方法障碍的一个有希望的策略是在生长过程中，从一个边缘到另一边缘单向地局部重结晶预生长石墨烯纳米颗粒，然后所有的纳米颗粒全局合并成一个薄膜。然而，这种方法对于传统的CVD系统具有挑战性，因为它不能在生长室整个体积的固定温度下将成核与后续生长分开。

首尔国立大学Gwan-HyoungLee、韩国标准科学研究院HosunShin、成均馆大学Jae-YoungChoi、韩国科学技术高等研究院SeokwooJeon联合发明了一种新的CVD系统，通过在生长衬底上使用移动热线(MHW)提供额外的局部热能，其温度仅高到足以成核而不是生长，可以实现这一策略。将石墨烯纳米颗粒在Cu/Ni(111)上的对齐成核和对预生长的石墨烯颗粒的连续热处理相结合，展示了一条通往单晶石墨烯的可能途径。通过使用HMW-CVD系统，与在多晶Cu上生长的石墨烯相比，预先排列的晶粒被缝合成一个具有高达97%单晶畴的连续薄膜，后者主要是高角度倾斜边界(HATB)畴。单晶石墨烯在350K和～33600(38400) cm2/V/s的电子（空穴）下表现出非常高的热导率和载流子迁移率，为~1349W/mK。

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https:///10.1021/acs.nanolett.2c00927

图1.通过顺序热处理通过晶粒再结晶生长单晶石墨烯的策略

在MHW-CVD系统中，石墨烯在(a)多晶铜、(c)铜(111)和(e)铜/镍(111)上生长的示意图。

(b)多晶Cu、(d)Cu(111)和(f)Cu/Ni(111)上石墨烯薄膜的假彩色DF-TEM图像。

图2.催化金属基材和生长的石墨烯颗粒和薄膜的表征

(a)：每个基板的真实图像和示意图。

(b)：每个基板的EBSD图像。

(c、d)：以不同线扫描速度在每个衬底上生长的石墨烯晶粒的SEM图像。

(e)：在每个衬底上生长的倾斜石墨烯晶粒的部分作为生长时间的函数。

在每个基板上生长的石墨烯薄膜的拉曼光谱(f)和薄层电阻(g)。

图3.在每个基板上生长的石墨烯薄膜的结晶度

在(a)多晶铜、(b)铜(111)和(c)铜/镍(111)上生长的石墨烯薄膜的SAED图案。

(d-f)：石墨烯薄膜的假彩色DF-TEM图像，对应于(a)-(c)中的SAED图案。

对于在(g)多晶Cu、(h)Cu(111)和(i)Cu/Ni(111)上生长的石墨烯薄膜，主衍射峰相对于倾斜小峰的偏向角分布。

图4.在Cu/Ni(111)上生长的石墨烯薄膜的额外TEM观察和连续热处理的效果

(a)：石墨烯的TEM图像转移到TEM网格上。插图显示了(a)中所示区域的TEM图像。

(b)：HR-TEM图像。

(c)：(a)中孔1处石墨烯薄膜的SAED图案。

(d)：沿(c)中标记的线的SAED点的强度分布。

(e-h)：（a）中孔2-5处石墨烯薄膜的SAED图案和DF-TEM图像。

(i)：生长在Cu/Ni(111)上的石墨烯薄膜的拉曼光谱，来源于扫描的热线和静止的热线。

(j)：在固定热线条件下，Cu/Ni(111)上生长的石墨烯的假彩色DF-TEM图像和SAED图案。(k)：热线扫描后在Cu/Ni(111)上生长的石墨烯的假彩色DF-TEM图像和SAED图案。

图5.在每个基板上生长的石墨烯薄膜的热和电传输特性

(a)：转移到MTMP上的石墨烯薄膜的SEM和数字（插图）图像。

(b)：（a）中薄膜的放大顶视图和倾斜视图（插图）SEM图像。

(c)：比较在MTMP上测量的每个衬底上生长的石墨烯的热导率随温度的变化。

(d)：h-BN/SiO2/Si衬底上的四探针背栅GFET的OM图像。

(e)：薄层电阻率作为室温下载流子密度的函数。

(f)：电子和空穴（插图）的载流子迁移率作为室温下载流子密度的函数。

文章结论

• 通过应用单晶Cu(111)衬底，在多晶铜上生长石墨烯中的HATB畴被完全去除，这导致石墨烯薄膜中的单晶区域高达80%。

• Cu(111)中的Ni合金化通过热线运动促进了晶体倾斜的石墨烯晶粒沿特定方向的完全旋转，从而在大面积上产生高达97%的大部分单晶区域。

• Cu/Ni(111)上生长的石墨烯的热导率和载流子迁移率显示出优异的声子和电载流子传输特性。

• 此发现可以用作石墨烯工业规模增长的核心技术，例如在具有不同热源和热区区域的卷对卷系统中。