背景介紹
電子信息器件小型化和輕量化的發(fā)展趨勢對新型半導(dǎo)體材料的研制提出了更高要求。石墨烯完美的晶體結(jié)構(gòu)和超薄平面結(jié)構(gòu)可有效抑制短溝道效應(yīng)，進(jìn)而展現(xiàn)出后硅時代分子尺度電子器件的應(yīng)用潛力。然而，采用目前主流的化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備石墨烯薄膜時，石墨烯薄膜的質(zhì)量受基底熱失配、金屬催化機(jī)制和基底共形接觸的共同影響。高熵合金是具有多種主元且形成固溶體主相的合金系統(tǒng)，具有遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。受此啟發(fā)，通過高熵合金組元調(diào)節(jié)，不僅可以控制基底與石墨烯的熱失配，而且合金基底中存在多類型、溶碳能力不同的固溶體相，將其應(yīng)用于石墨烯CVD制備，必將豐富和深化對石墨烯成膜催化機(jī)制的認(rèn)識。
研究方法 采用電弧熔煉法制備FeCoNiCu0.25合金鑄錠，塑性變形、切割、預(yù)處理和退火后得到合金薄片，作為CVD生長石墨烯薄膜的基底，并進(jìn)行了生長機(jī)理探討。 成果簡介 ① 實(shí)現(xiàn)FeCoNiCu0.25為基底生長石墨烯工藝：FeCoNiCu0.25合金表面元素和組織分布均勻、晶粒大小規(guī)則、無明顯枝晶偏析，且為單相固溶體結(jié)構(gòu)，有利于石墨烯生長。同時，基底熱穩(wěn)定性良好，在石墨烯的生長溫度下，襯底不會發(fā)生脫溶、過燒和熔化等現(xiàn)象。 ② 探究石墨烯生長參數(shù)及組織結(jié)構(gòu)與性能：碳源為4 sccm，H2為20 sccm，生長溫度為1040 ℃，生長時間為30 min，石墨烯可跨越晶界生長。表征發(fā)現(xiàn)制備的石墨烯具有晶疇尺寸大、完整度高、層數(shù)分布均勻、晶化程度高、連續(xù)性好、非晶碳和褶皺數(shù)量少等特點(diǎn)。 ③ 提出內(nèi)稟陷阱調(diào)控生長機(jī)制：由于高熵合金內(nèi)部含有大量的深陷阱，賦予其獨(dú)特的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，抑制了碳的析出，避免碳原子在短時間內(nèi)過量析出，大大減少了碳原子扎堆聚集形成非晶碳及不均勻形核位點(diǎn)的數(shù)量，提高石墨烯的潔凈度和均勻性，即內(nèi)稟陷阱調(diào)控石墨烯生長機(jī)制。 課題組簡介 中國石油大學(xué)（華東）無機(jī)功能材料團(tuán)隊(duì)：以微納材料功能化調(diào)控技術(shù)研究為基礎(chǔ)，聚焦無機(jī)非材料在新能源領(lǐng)域的前沿應(yīng)用研究。團(tuán)隊(duì)一直倡導(dǎo)將前沿性基礎(chǔ)研究成果與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家重大需求緊密相連，致力于突破非常規(guī)工程環(huán)境中高可靠性能量轉(zhuǎn)換/存儲及固體廢棄物資源化利用等關(guān)鍵核心技術(shù)，推動材料功能化研究在降低能源密度方面的應(yīng)用。重點(diǎn)研究：碳基多孔材料的潤濕性及其水處理技術(shù)；劣質(zhì)石油焦的高值化利用技術(shù)；復(fù)雜服役環(huán)境適用特種能源動力核心材料研究；析氫電催化劑研究；離子電池的改性正極和高可逆性負(fù)極研究；CVD石墨烯生長機(jī)制研究。 Ning Cao, caoning@upc.edu.cn；Xiaobei Zang, xiaobeizang@upc.edu.cn 清華大學(xué)朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)：主要從事納米材料連續(xù)化（多維多尺度宏觀體的可控合成）、納米技術(shù)在能源/環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究。研究領(lǐng)域包括：石墨烯、拓?fù)浣^緣體，碳納米管手性控制與應(yīng)用，能量收集、轉(zhuǎn)換與存儲（太陽能電池、超級電容器等），多孔材料、復(fù)合材料與異質(zhì)結(jié)構(gòu)。近年來承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)目。獲國家自然科學(xué)二等獎和教育部自然科學(xué)一、二等獎。出版學(xué)術(shù)著作5部，授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)，在Science, Chem. Rev. Soc., Sci. Adv., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊上發(fā)表論文200余篇。 Hongwei Zhu, hongweizhu@tsinghua.edu.cn 文章信息 Ning Cao, Peng Liu, Jialiang Pan, Liheng Liang, Kunpeng Cai, Qingguo Shao, Hongwei Zhu* & Xiaobei Zang*. Intrinsic-trap-regulating growth of clean graphene on high-entropy alloy substrate. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-4061-0.
