纳特。Commun。异位成核法CVD生长扭曲双层石墨烯

扭曲双层石墨烯可以看作是两层石墨烯以一定的扭曲角堆叠，其表面会形成随扭曲角变化的摩尔周期势，其能带结构也受到扭曲角的调制。比如两个石墨烯层的能带耦合会导致态密度的上界。霍夫奇异点的出现赋予其依赖角度的光电特性；扭曲角不公度的石墨烯摩擦力很小；然而，魔角(~1.1)扭曲石墨烯具有一系列新奇的量子效应，引起了人们极大的研究兴趣，催生了一个新的研究领域——扭曲量子学。目前，实验室中的扭曲双层石墨烯通常是通过人工堆积制备的。如何通过生长法直接制备各种扭转角的双层石墨烯是该领域亟待解决的重要问题。

基于金属衬底的化学气相沉积(CVD)被认为是最有希望生长高质量石墨烯的方法。但由于AB堆叠的能量稳定性更高，高温CVD生长的双层石墨烯更倾向于形成AB堆叠而不是扭曲双层石墨烯。因此，打破AB堆叠石墨烯的能量优势，实现高温下的层间扭转是一个重要的挑战。

最近，北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士和他们的合作者提出了“异位成核”的生长策略。通过在生长过程中引入气流扰动来控制第二层石墨烯的成核位置，使两层石墨烯的晶格取向被不同区域的衬底诱导，从而获得大比例的扭曲双层石墨烯(图1)。

图1。异位形核法的生长策略和生长结果

总的来说，石墨烯在铜表面的生长遵循“自限性”生长模型。然而，当氢分压较高时，石墨烯边缘会从金属钝化变为氢饱和终止，这将削弱边缘与金属之间的相互作用，阻碍单层石墨烯的生长，因此活性炭物种可以在第一层石墨烯和铜之间“钻孔”，用于第二层的生长。第二石墨烯层与衬底之间的相互作用强于石墨烯层间的相互作用，这使得层间扭曲成为可能。但是，仅仅依靠衬底不足以形成扭曲，因为石墨烯的晶格取向是在成核的初始阶段决定的。如果两个石墨烯层在相同的位置成核，相同的成核环境会使两个石墨烯层的晶格取向一致，形成AB堆叠的石墨烯。

研究人员发现，当两个石墨烯层的成核位置不同时，由于基底的台阶、扭结、位错或颗粒等微观环境不同，层间扭转的概率会显著增加。为了实现第二层石墨烯的可控成核和生长，研究人员采用了扰动生长的策略，即改变CVD生长过程中氢气和甲烷的分压，调节石墨烯边缘的终态和附近局部碳物种的浓度。该方法已被12C/13C同位素标记生长实验验证:分别在5 min和10 min引入“扰动”，第二层成核时间与5 min和10C重合，第二层成核位置与12C/13C重合。同时，无扰动的结果是AB堆叠双石墨烯，证明了该方法的有效性。

图二。同位素标记的实验结果

研究人员还总结了“扰动-异位成核”方法的关键参数。通过控制两步生长法中氢源和碳源的比例(图3)，获得了高扭转比(88%)的tBLG。高分辨率透射电镜表征显示清晰的莫尔条纹(图4)；电输运测量显示其具有超高的室温载流子迁移率(68000 cm2V 1s 1)(图5)。角分辨光电子能谱测量显示了清晰的线性能带结构和van Hough奇异性。这些都证明了用这种方法得到的tBLG具有超高的质量。

图3。异位成核法的生长参数

图4。TEM表征结果

图5。移动测试结果

作者提出了异位成核策略。通过引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核，两层石墨烯的晶格取向被不同区域的基底诱导，从而打破了最低AB堆积能的限制，实现了大比例扭曲双层石墨烯的制备。该方法为扭曲石墨烯和二维材料的制备提供了新的思路，为近年来新兴的扭转电子学研究奠定了材料基础。

相关研究成果发表在《自然通讯》杂志上，标题为“生长具有大范围扭曲角的扭曲双层石墨烯的异位成核”。北京大学、北京石墨烯研究院院士、彭海林教授，新加坡国立大学多位博士后，中国科技大学黄副教授作为本文通讯作者，北京石墨烯研究院孙博士，曼彻斯特大学博士生王月痕博士，北京大学王作为第一作者。合作者还包括曼彻斯特大学的Kostya S. Novoselov教授、苏州大学的Mark H. Rummeli教授、中国科技大学的李振宇教授和牛津大学的陈玉林教授。本论文的研究工作得到了北京大学化学与分子工程学院、科技部北京国家分子科学研究中心、国家自然科学基金和北京市科委的资助。

纸质链接:

/articles/s 41467-021-22533-1