石墨烯及二維材料的解理**重大突破－－壁虎爪子的啟示

時(shí)間：2016-02-20作者：南京牧科納米科技有限公司瀏覽：62

石墨烯自從2004年被報(bào)道以來(lái)，得到了廣泛和深入的研究，以其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，光學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對(duì)二維材料探索的熱情。眾所周知，Geim組**次發(fā)現(xiàn)石墨烯是通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方法，用膠帶將機(jī)械解理的石墨轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底上。作為二維材料研究的**，A. Geim和 K.S NoVoselov也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種簡(jiǎn)單有效的方法在近十多年來(lái)被廣泛應(yīng)用到其他二維材料的研究和探索當(dāng)中，如MoS2，BN，SnS2等，較初的器件加工和性質(zhì)研究都是基于機(jī)械解理首先得到單層或者較薄的二維薄片，再進(jìn)行相應(yīng)的表征和測(cè)試。研究者們雖然廣泛的采用這一簡(jiǎn)單的機(jī)械解理方法，然而這種方法也存在許多不足，例如可用的二維薄片尺寸太小，產(chǎn)率太低，對(duì)晶體和基底的浪費(fèi)嚴(yán)重。雖然在隨后的幾年，A. Geim組也曾報(bào)道出亞毫米量級(jí)的解理石墨烯，但是并為對(duì)相關(guān)過(guò)程做任何系統(tǒng)的報(bào)道。為了提高石墨烯和其他二維材料的尺寸并加快其應(yīng)用化的進(jìn)程，人們發(fā)展了CVD方法制備大面積的石墨烯和二維材料，然而這樣得到的樣品由于在生長(zhǎng)過(guò)程中大量缺陷的存在以及轉(zhuǎn)移過(guò)程中引入的雜質(zhì)干擾，其性質(zhì)遠(yuǎn)無(wú)法[img][/img]與機(jī)械解理的樣品相媲美?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)二維材料的研究方面，通過(guò)機(jī)械解理方法制備高質(zhì)量的單晶二維材料仍然會(huì)發(fā)揮其**的作用。因此，二維材料領(lǐng)域的研究者亟需發(fā)展出一種簡(jiǎn)單有效的，可以提高二維晶體尺寸，產(chǎn)率的方法。
由于二維材料各層之間是通過(guò)范德瓦爾斯力相互作用結(jié)合成三維晶體，而在機(jī)械解理過(guò)程中，解理得到的二維晶體與基底之間的相互作用力也是范德瓦爾斯力。將單層的石墨烯從石墨中解理并轉(zhuǎn)移到其他基底上的過(guò)程，實(shí)際上是層間范德瓦爾斯力與石墨烯/基底界面的范德瓦爾斯力相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。因此之前認(rèn)為的在解理過(guò)程中將二維材料在膠帶上撕到足夠薄再轉(zhuǎn)移到基底上的觀點(diǎn)存在一定的誤導(dǎo)，在逐漸減薄的過(guò)程中晶體會(huì)由于反復(fù)的應(yīng)力改變產(chǎn)生褶皺并且變碎，這樣就難以得到大面積的單層石墨烯和二維材料。另外，如何簡(jiǎn)單有效的提高二維材料和基底直接范德瓦爾斯力也是制備大面積二維材料亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
較近，中科院物理研究所團(tuán)隊(duì)與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Peter Sutter教授、MIT的Dirk Englund教授及其合作者，**對(duì)機(jī)械解理單晶石墨烯及二維晶體材料做了系統(tǒng)深入的研究。范德瓦爾斯力是自然界中常見(jiàn)的一種相互作用力，壁虎借助爪子上的纖毛與固體表面的范德瓦爾斯力相互作用，可以在光滑的表面任意的爬行。研究者通過(guò)對(duì)壁虎爪子纖毛進(jìn)行電鏡表征發(fā)現(xiàn)，在其纖毛的末端存在有納米級(jí)別的凹型結(jié)構(gòu)，這與之前其他生物學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)一致，K. Autumn等人指出壁虎的爪子要牢固的附著在固體表面必須要有一個(gè)預(yù)先施加的壓力。他們對(duì)這一微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析認(rèn)為，這種凹型結(jié)構(gòu)可以在施加壓力后將內(nèi)部的氣體分子擠出并在撤去壓力后造成內(nèi)外氣壓差，氣壓差提供的壓力使纖毛有效的附著在固體表面，并且減小了纖毛和固體表面的接觸距離，提高了有效接觸面積，通過(guò)這種方式較大的提高了纖毛和固體表面的范德瓦爾斯力。
在壁虎爪子的啟示下，課題組研究人員認(rèn)為，解理二維材料的過(guò)程與壁虎在固體表面爬行的過(guò)程較為相似：都需要預(yù)先提供壓力，在界面上都存在氣體分子，相互作用力都是范德瓦爾斯力。通過(guò)優(yōu)化機(jī)械機(jī)理過(guò)程，他們發(fā)展出了一套通過(guò)模仿壁虎爪子提高二維材料與基底相互作用的方法。該方法首先將常用的SiO2/Si 基底在氧氣等離子體下處理2—5 分鐘，然后將新解理的石墨表面通過(guò)膠帶壓到基底上，在這個(gè)過(guò)程中要求石墨在膠帶上不要解理太多次，以免粉碎石墨片。氧氣等離子體對(duì)基底的處理目的是為了獲得干凈的表面，清除表面的各種**分子。之后將帶有膠帶和石墨的基底在熱板上加熱1-2分鐘，使得石墨與基底界面的少量氣體分子擠出界面，減小石墨與基底的接觸距離。將體系冷卻到室溫后，石墨與基底界面內(nèi)外氣壓差進(jìn)一步減小接觸距離并增大了接觸面積，這些因素都有利于提高石墨表面和基底表面的范德瓦爾斯力，從而使界面間的相互作用力在與石墨層間相互作用力的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以石墨烯為例，這種方法相比于常規(guī)的解理方法，可以很容易得到亞毫米量級(jí)的單層和雙層石墨烯樣品，單片的石墨烯尺寸可以提高幾百倍，這就使得樣品制備過(guò)程簡(jiǎn)單高效，并且對(duì)于后續(xù)的樣品表征和器件加工提供了較大的便利。拉曼光譜結(jié)果顯示，通過(guò)這種方法制備的石墨烯樣品也常規(guī)方法得到的性質(zhì)完全一樣，并未引入多余的缺陷，樣品依然保持非常高的質(zhì)量。隨后對(duì)這種方法得到的石墨烯進(jìn)行了電輸運(yùn)方面的研究，結(jié)果表明石墨烯仍然保持了非常高的電子遷移率，背門電壓調(diào)控下可以實(shí)現(xiàn)4000 cm2/V.S，而通過(guò)去離子水做門電極材料時(shí)可以高達(dá)12,000cm2/V.S。
該工作的研究者們還進(jìn)一步證實(shí)，這種通過(guò)增強(qiáng)范德瓦爾斯相互作用制備大面積的石墨烯的方法對(duì)于機(jī)械解理制備其他二維材料也同樣適用。以Bi2Sr2CaCu2Ox為例，常規(guī)方法制備的尺寸在十幾個(gè)微米，而通過(guò)這種方法制備的得到的單層和雙層Bi2Sr2CaCu2Ox可以提高到厘米量級(jí)。

	石墨烯的研究目前在**上還是方興未艾，而其他二維材料，如MoS2，SnS2和黑磷等也都是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。因此這一工作對(duì)于研究二維材料以及其他層狀的原子晶體有非常重要的意義，它為制備高質(zhì)量大面積單層和少數(shù)幾層的樣品提供了一種簡(jiǎn)單高效的方法，對(duì)于探索其他未知的二維材料的性質(zhì)做了鋪墊。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表在近期的ACS Nano上。


	 


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• 詞條

  詞條說(shuō)明

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