Nat. Comunitario. Crecimiento de grafeno retorcido de doble capa por CVD utilizando el método de nucleación ex situ

El grafeno bicapa retorcido se puede considerar como dos capas de grafeno apiladas en un cierto ángulo de torsión. Se formará en la superficie un potencial periódico molar que cambia con el ángulo de torsión, y su estructura de banda de energía también está modulada por el ángulo de torsión. Por ejemplo, el acoplamiento de bandas de dos capas de grafeno conducirá a un límite superior en la densidad de estados. La aparición de puntos singulares de Hough le confiere propiedades optoelectrónicas dependientes del ángulo; el grafeno con inconmensurabilidad de ángulo retorcido tiene poca fricción; sin embargo, el grafeno retorcido en un ángulo mágico (~1,1) tiene una serie de efectos cuánticos novedosos, que han atraído gran atención. El interés de la investigación dio origen a una nueva teoría cuántica retorcida en el campo de investigación. Actualmente, el grafeno bicapa retorcido en el laboratorio suele prepararse mediante apilamiento artificial. Cómo preparar directamente grafeno bicapa con varios ángulos de torsión mediante métodos de crecimiento es una cuestión importante que debe resolverse urgentemente en este campo.

La deposición química de vapor (CVD) basada en sustratos metálicos se considera el método más prometedor para cultivar grafeno de alta calidad. Sin embargo, debido a la mayor estabilidad energética del apilamiento AB, el grafeno bicapa cultivado mediante CVD a alta temperatura es más propenso a formar apilamiento AB que el grafeno bicapa retorcido. Por lo tanto, es un desafío importante romper la ventaja energética del grafeno apilado AB y lograr la torsión entre capas a altas temperaturas.

Recientemente, el académico Liu Zhongfan de la Universidad de Pekín y el Instituto de Investigación del Grafeno de Beijing y sus colaboradores propusieron la estrategia de crecimiento de la "nucleación ectópica". Al introducir perturbaciones en el flujo de aire durante el proceso de crecimiento para controlar la posición de nucleación de la segunda capa de grafeno, el sustrato induce la orientación reticular de las dos capas de grafeno en diferentes áreas, obteniendo así una gran proporción de grafeno bicapa retorcido (Figura 1). ).

Figura 1. Estrategia de crecimiento y resultados de crecimiento del método de nucleación heterotópica

En general, el crecimiento del grafeno en superficies de cobre sigue un modelo de crecimiento "autolimitado". Sin embargo, cuando la presión parcial de hidrógeno es alta, el borde de grafeno cambiará de pasivación metálica a terminación de saturación de hidrógeno, lo que debilitará la interacción entre el borde y el metal y obstaculizará el crecimiento de grafeno de una sola capa, por lo que las especies de carbón activado pueden Se "perfora" una capa de grafeno entre el cobre y la segunda capa para el crecimiento de la segunda capa. La interacción entre la segunda capa de grafeno y el sustrato es más fuerte que la interacción entre las capas de grafeno, lo que hace posible la torsión entre capas. Sin embargo, el sustrato por sí solo no es suficiente para crear la torsión, ya que la orientación reticular del grafeno se determina durante las etapas iniciales de la nucleación. Si dos capas de grafeno se nuclean en la misma posición, el mismo entorno de nucleación hará que la orientación reticular de las dos capas de grafeno sea consistente, formando grafeno apilado AB.

Los investigadores descubrieron que cuando las posiciones de nucleación de las dos capas de grafeno son diferentes, la probabilidad de torsión entre capas aumentará significativamente debido a diferentes microambientes como escalones, torceduras, dislocaciones o partículas en el sustrato. Para lograr una nucleación y un crecimiento controlables de la segunda capa de grafeno, los investigadores adoptaron una estrategia de crecimiento perturbado, es decir, cambiar la presión parcial de hidrógeno y metano durante el proceso de crecimiento de CVD para ajustar el estado final del borde del grafeno y el concentración de especies de carbono locales cercanas. Este método ha sido verificado mediante experimentos de crecimiento con marcaje isotópico 12C/13C: se introducen "perturbaciones" a los 5 min y 10 min respectivamente, el tiempo de nucleación de la segunda capa coincide con 5 min y 10C, y la posición de nucleación de la segunda capa coincide con 12C/13C. . Al mismo tiempo, el resultado libre de perturbaciones es el grafeno doble apilado AB, lo que demuestra la eficacia de este método.

Figura 2. Resultados experimentales del marcaje de isótopos

Los investigadores también resumieron los parámetros clave del método de "nucleación ectópica-perturbación". Al controlar la proporción de fuente de hidrógeno y fuente de carbono en el método de crecimiento en dos pasos (Figura 3), se obtuvo tBLG con una alta relación de torsión (88%). La caracterización por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución muestra franjas claras de muaré (Figura 4). Las mediciones de transporte eléctrico muestran que tiene una movilidad del portador a temperatura ambiente ultra alta (68000 cm2V 1s 1) (Figura 5). Las mediciones de espectroscopía de fotoelectrones con resolución de ángulo muestran una estructura de banda lineal clara y la singularidad de Van Hough. Todo esto demuestra que el tBLG obtenido mediante este método tiene una calidad ultraalta.

Figura 3. Parámetros de crecimiento del método de nucleación ectópica

Figura 4. Resultados de la caracterización TEM

Figura 5. Resultados de las pruebas móviles

Los autores propusieron una estrategia de nucleación ectópica. Al introducir una perturbación del flujo de aire para controlar la nucleación de la segunda capa de grafeno, el sustrato induce la orientación reticular de las dos capas de grafeno en diferentes áreas, rompiendo así el límite de la energía de apilamiento AB más baja y logrando la preparación de grandes Grafeno de doble capa retorcido a escala. Este método proporciona nuevas ideas para la preparación de grafeno retorcido y materiales bidimensionales, y sienta las bases materiales para la investigación emergente sobre electrónica torsional en los últimos años.

Los resultados de la investigación relevante se publicaron en la revista Nature Communications, con el título "Nucleación exsitu del grafeno bicapa retorcido en crecimiento con una amplia gama de ángulos de torsión". El profesor Peng Hailin, académico de la Universidad de Pekín y el Instituto de Grafeno de Beijing, varios becarios postdoctorales de la Universidad Nacional de Singapur, el profesor asociado Huang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China son los autores correspondientes de este artículo, el Dr. Sun de Beijing Graphene Institute, el Dr. Wang Yuehen, estudiante de doctorado de la Universidad de Manchester, y Wang Yuehen de la Universidad de Pekín como primer autor. Entre los colaboradores también se encuentran el profesor Kostya S. Novoselov de la Universidad de Manchester, el profesor Mark H. Rummeli de la Universidad de Suzhou, el profesor Li Zhenyu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y el profesor Chen Yulin de la Universidad de Oxford. El trabajo de investigación de este artículo fue financiado por la Escuela de Química e Ingeniería Molecular de la Universidad de Pekín, el Centro Nacional de Investigación de Ciencias Moleculares del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Beijing, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Ciencia y Tecnología Municipal de Beijing. Comisión.

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/articles/s 41467-021-22533-1