亞表面合金效應對石墨烯外延生長初期階段碳成核的熱力學和動力學性能的調控.pdf

1、石墨烯是一種由單層碳原子構成的具有蜂窩狀六角結構的二維晶體，也被認為是所有其它維度的石墨材料的基本構成單元。由于它顯著的電子，機械和化學特性以及各種潛在的應用，比如在電子學，光電以及化學和生物傳感方面，最近十年來在全世界范圍內已經引起了廣泛的關注并掀起了石墨烯研究的熱潮。
　　對于所有這些潛在的應用，前提要求是能夠經濟、高效地合成制備出高質量的單晶單層石墨烯。相應地，各種合成大面積單層石墨烯的方法已經建立起來：比如，碳化硅表面的石

2、墨化和在過渡金屬上的碳源（TM）的催化化學氣相沉積（CVD）法。在這些各種的方法中，CVD方法相對于其它方法具有鮮明的特征和優(yōu)勢，特別是能夠通過化學蝕刻方法很容易地把石墨烯從金屬襯底上轉移到其它基底上。因此CVD方法已經成為制備大面積高質量石墨烯的主要方法。然而，到目前為止，該方法大規(guī)模生產的石墨烯主要是多晶，形成的晶界會降低它們在實際應用中的諸多功能。
　　在金屬襯底上用化學氣相沉積法制備石墨烯的關鍵是C-金屬和C-C之間的相互

3、作用的微妙競爭關系。相關研究發(fā)現(xiàn)，C-金屬的結合作用越強，C-C聚集和石墨烯成核就越困難。與此相反，C-金屬之間的弱相互作用使碳原子在金屬表面快速擴散并在整個表面上多處成核，與此相應，將導致不同取向的石墨顆粒聚結在一起時產生晶界，Cu表面上用CVD方法生長石墨烯便是一個典型例子。與此相應，人們在選擇合適的襯底進而改善石墨烯的成核、生長、以及抑制晶界方面上做了很多努力。例如，實驗上最近人們在晶片級大小的氫鈍化的Ge(110)各向異性表面上

4、實現(xiàn)了高質量單晶石墨烯的定向生長。另外，從理論計算表明表面合金Mn-Cu(111)超晶格結構可以有效的抑制石墨片的取向無序。
　　在本文中，我們提出了另一種調制碳-金屬作用的新方法，即采用表面合金（SSA）效應來調制C-金屬，C-C相互作用的相對強弱來調控C-C成核幾率以及石墨烯生長方向的有序度。這里提出的SSA襯底的最上面一層原子僅僅由一種元素組成，第二層原子由另外一種元素組成，這種結構可能比已經提出的表面的超結構更易合成出來并

5、且比氫鈍化的 Ge(110)面具有更高的催化活性。以Rh(111)作為一個典型的例子，我們發(fā)現(xiàn)在 Rh(111)面上，兩個 C原子更易于分離，與我們的直覺相反的是，當表面第二層原子被Rh左邊的溶質金屬元素（比如具有較高d-band中心的過渡金屬Ru和Tc）替代時，兩個C原子易于形成二聚體。但如果溶質原子是比Rh更靠后的過渡金屬元素的時候，比如比較惰性的Pd和Ag元素時，兩個碳原子之間的排斥增加，阻礙石墨烯的成核。此外，亞表面合金效應（S