来自Ulsan国家科学技术研究所(UNIST)基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心(CMCM)的Rodney Ruoff主任，领导的这个研究小组。这似乎是一系列关于单层石墨烯类似中最新的一个。然而，这一成果与之前数千篇论文的不同之处在于，它们都没有真正描述大面积的单层石墨烯，Adlayers(双层或多层区域)一直存在。
IBS的科学家们改进了化学气相沉积(CVD)生长方法，消除了石墨烯生长在铜箔上的所有碳杂质。金属箔(尤其是铜箔)上的化学气相沉积(CVD)是目前制备大面积高质量石墨烯薄膜最具发展前景的方法。研究小组研究了生长在铜箔上的石墨烯薄膜中为什么会出现“adlayers”，发现薄膜中的碳杂质直接导致adlayers的成核和生长。
通过使用飞行时间二次离子质谱和燃烧分析，发现商业铜箔有‘过量的碳’，尤其是在表面附近，深度约为300纳米。通过与世界上最大的铜箔供应商之一，江西铜业有限公司的一位技术专家讨论，研究人员了解到：在生产过程中，碳嵌在铜箔中，可能来自用于润滑铜箔在高温轧制时接触的轧辊碳氢基油。在H2温度为1060℃的条件下完全去除碳后，能够实现无adlayfree，从而实现真正的单层石墨烯薄膜。
通过同样的方法，IBS的科学家们还在单晶铜箔上获得了无adlayer单层和单晶石墨烯薄膜。该研究的第一作者之一王美辉（音译）解释说：我们这样就解决了之前CVD石墨烯薄膜(adlayers and grain boundaries, GBs)同时合成中一直存在的两个问题。的确，在大面积(例如单层或双层)上实现层数的完美均匀性，可以用来确保设备性能的一致性。
Adlayer区域的区别在于，当存在于器件的活动区域时，Adlayer区域的密度和尺寸也不同。除了adlayers, GBs还存在于CVD制备的多晶石墨烯薄膜中，不同晶体取向的石墨烯岛连接在一起形成薄膜。GBs的存在降低了载流子的迁移率和导热率，降低了机械强度。尽管如此，科学家们在单晶薄膜上留下了一个迷人的特征：这种单晶石墨烯包含高度定向的平行“褶皱”，长度为厘米，宽度约为100纳米，间隔20至50微米。
与adlayers和GBs一样，褶皱可以显著降低石墨烯的载流子迁移率。为了消除adlayers, GBs和褶皱的这种散射效应，研究小组在两个相邻褶皱之间的区域，以及平行于褶皱的晶体管上绘制了场效应晶体管的图形。与多晶石墨烯薄膜中呈准随机分布的褶皱不同，褶皱在大面积单晶石墨烯薄膜中高度排列。这使得很容易从褶皱之间的区域制造集成高性能器件。
两个相邻褶皱之间的区域是‘干净的’，没有任何褶皱、adlayers或GBs，这使得该器件具有很高的电子迁移率和空穴迁移率。场效应晶体管显示出非常高的室温载流子迁移率值约为1.0 x 104 cm2V-1s-1。如此高的载流子移动性“转化”为具有高性能的各种有用设备。开发大面积无adlayer单晶石墨烯的方法是一个突破。
这种均匀、“完美”的单层单晶石墨烯，有望被用作超高分辨率透射电镜成像和光学设备的超薄支撑材料。也可作为一种合适的石墨烯，以实现非常均匀的功能化。本研究由基础科学研究所资助，其研究成果发表在《先进材料》上。
博科园｜研究/来自：基础科学研究所
参考期刊《先进材料》
DOI: 10.1002/adma201903615
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