纳米晶石墨烯的可控生长及其物性研究

Graphene grain boundaries (GGBs), seamed by adjacent graphene grains of different orientations, are predicted to have different properties from the inner hexagonal lattice and show strong potential applications in the future. Therefore, GGBs have attracted more and more attentions in graphene research regions. Nanocrystalline graphene and their joint films, which have the smaller crystal size and huge density of grain boundaries, have become the ideal form if using GGBs. Therefore, controllable growth of nanocrystalline graphene, characterizing their boundary structures, and investigating their physical properties, are showing much more importance in the future potential applications of GGBs and even graphene films. Here we propose a chemical vapor deposition method to grow nanocrystalline graphene on smooth sputtered films, with the assist of inductively coupled plasma. This method will controllably grow different kinds of nanocrystalline graphene, including different grain size and different grain boundary. Then, the growth mechanism should also be modeled for better discovering the growth science and presenting their relationship. Moreover, the relative rules between structures and properties will also be established through studying their physical properties, including electrics, mechanics, thermotics, etc.. Finally, this project will discover the fundamental science in GGBs, and help their real application of nanocrystalline graphene in the future.

石墨烯晶界，由不同晶体取向的石墨烯单晶晶粒拼接而成，存在与内部晶格不同的性质，被预测在未来实际应用中有着更好的前景，并受到越来越多的关注。纳米晶石墨烯及其薄膜，有着比较小的晶粒尺寸和比较大的晶界密度，有望成为研究和利用石墨烯晶界的最佳形态。因此，实现它的可控制备，并对其进行结构表征和物性测量，则对石墨烯晶界的未来实际应用具有重要意义。本项目提出采用平滑薄膜为生长基体的化学气相沉积（CVD）法，并辅助等离子体增强技术，可控制备不同种类的纳米晶石墨烯薄膜，实现对其晶粒尺寸和晶界类型的控制，并阐明CVD方法控制制备纳米晶石墨烯的生长机制，建立薄膜种类与生长条件的对应关系。同时，系统研究纳米晶石墨烯薄膜的电学、力学、热学等物性，建立纳米晶石墨烯薄膜的结构与其性能间的相互关系，为纳米晶石墨烯薄膜的实际应用奠定科学基础。

以石墨烯为代表的二维材料薄膜，目前大都是由多个分离的单晶晶粒拼接而成。控制单晶晶粒的尺寸以及不同晶粒拼接的晶界结构，成为二维材料生长领域的重点和难点。除了石墨烯和六方BN以外，其他二维材料在大气环境下都存在一定程度的不稳定问题。因此，控制晶粒尺寸和晶界结构，并因此带来的稳定性、平整性问题，则在成为本项目的工作核心。. 本项目的实施过程中，我们主要对多种材料制备方法进行了重组和优化，在物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、多种化学合成方法的基础上，结合了等离子体辅助方法，发展出两种新型的材料制备方法，即质子辅助方法和两步气相沉积方法，对纳米晶石墨烯和纳米晶二维超导体薄膜的可控生长、结构表征、物性测量等，都进行了详尽的研究，具体包括：发展质子辅助方法可控制备了超平整石墨烯薄膜；发现纳米晶石墨烯薄膜中的晶界对其力学性能的增强作用；发展两步气相沉积法可控制备大气环境下稳定的二维硒化物超导体，多种其他硫化物、硒化物，以及新型二维超导体η-Mo3C2。这两种方法，未来会在更多二维材料制备或者材料改性方面起到更加重要的作用。. 项目执行期内，我们发表带此基金号标注的论文共计8篇，其中包括了Nature、Nature Materials等。项目成果产生了广泛、深远的影响，为优良电学性能的石墨烯、环境稳定的二维超导体等的可控生长，提供了一系列行之有效的实验方法可供参考。项目组成员积极参加国内外的各种学术会议，展示研究成果。同时，培养了一批掌握二维材料生长技术、擅长多种材料表征和物性测量的本科生和硕博研究生。总之，主持人圆满地完成了本项目的所有预期目标。