金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

引用本文: 张艳锋, 高腾, 张玉, 刘忠范. 金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征[J]. 物理化学学报, 2012, 28(10): 2456-2464. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209062 shu

Citation: ZHANG Yan-Feng, GAO Teng, LIU Zhong-Fan. Controlled Growth of Graphene on Metal Substrates and STM Characterizations for Microscopic Morphologies[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(10): 2456-2464. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209062 shu

金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

张艳锋 ^1,2, ,
高腾 ^1, ,
张玉 ^2, ,
刘忠范 ^1,

基金项目:
国家自然科学基金资助课题(21073003) (21073003)

国家重大研究计划量子调控项目的资助(2011CB921903, 2011CB933003, 2012CB921404). (2011CB921903, 2011CB933003, 2012CB921404)

摘要:

目前化学气相沉积(CVD)方法在不同的金属基底上大规模生长获得石墨烯得到了广泛的应用; 同时扫描隧道显微镜(STM)做为一种强大的精细直观的研究手段可以用于表征金属衬底上石墨烯的微观形貌, 指导石墨烯的控制生长. 本文侧重于Cu箔、Pt 箔和Ni 衬底上石墨烯的控制生长、表面微观形貌、表面缺陷态、堆垛形式的阐述, 得到结论: (1) 两种溶碳量较低的金属(Cu, Pt)上, 石墨烯的生长都符合表面催化的生长机制, 同时层间的范德华相互作用也可以诱导双层石墨烯的生长; (2) 衬底粗糙度的增加可以使石墨烯的电子态去简并化, 从而破坏石墨烯面内π键共轭结构, 导致部分碳原子转变为sp³杂化; (3) 原生的褶皱是由于界面热膨胀系数失配所导致; (4) Pt 箔表面石墨烯的平整度要远优于Cu箔表面的石墨烯, 且不同晶面共存的基底对于石墨烯的连续性并没有产生显著的影响.

关键词:

English

Controlled Growth of Graphene on Metal Substrates and STM Characterizations for Microscopic Morphologies

1.
1 Center for Nanochemistry (CNC), College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University;
2 Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871
Received Date: 19 July 2012
Available Online: 26 September 2012
Fund Project:
国家自然科学基金资助课题(21073003)

国家重大研究计划量子调控项目的资助(2011CB921903, 2011CB933003, 2012CB921404).

Abstract:

Recently, chemical vapor deposition (CVD) has been widely applied to the large-scale synthesis of graphene on various metal substrates. As a powerful and direct imaging method, scanning tunneling microscopy (STM) has been used to study the microscopic morphologies of graphene on metal substrates, for the purpose of further optimizing the growth parameters. This review presents the recent progress in the controlled growth of graphene on Cu foils, Pt foils, and Ni substrates, as well as the research of the microscopic morphologies, defect states, and stacking orders of graphene. Monolayer growth of graphene on Cu and Pt foils follows a surface catalyzed growth mechanism, while bilayer graphene growth follows an epitaxial growth mechanism. After the formation of a bilayer, the corrugated substrate breaks the planar conjugated π bonds of graphene, inducing a binding configuration change from sp² to sp³. Then, pristine wrinkles are introduced by the thermal expansion mismatch between graphene and the metal substrates. Finally, the roughness of graphene on the Pt foils is considerably less than that of graphene on Cu foils, and the multifaceted interweaving Pt substrate has almost no effect on the in-plane continuity of graphene.

Key words:

1. [1]
  
  (1) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896
  (1) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896
2. [2]
  (2) Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Zhang, Z.; Klima, M.; Fudenberg,G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Solid State Commun. 2008,146, 351. doi: 10.1016/j.ssc.2008.02.024(2) Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Zhang, Z.; Klima, M.; Fudenberg,G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Solid State Commun. 2008,146, 351. doi: 10.1016/j.ssc.2008.02.024
3. [3]
  (3) Schwierz, F. Nat. Nanotech. 2010, 5, 487. doi: 10.1038/nnano.2010.89(3) Schwierz, F. Nat. Nanotech. 2010, 5, 487. doi: 10.1038/nnano.2010.89
4. [4]
  (4) Lin, Y. M.; Dimitrakopoulos, C.; Jenkins, K. A.; Farmer, D. B.;Chiu, H. Y.; Grill, A.; Avouris, P. Science 2012, 327, 662.(4) Lin, Y. M.; Dimitrakopoulos, C.; Jenkins, K. A.; Farmer, D. B.;Chiu, H. Y.; Grill, A.; Avouris, P. Science 2012, 327, 662.
5. [5]
  (5) Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Dommett, G. H. B.; Kohlhaas, K.M.; Zimney, E. J.; Stach, E. A.; Piner, R. D.; Nguyen, S. T.;Ruoff, R. S. Nature 2006, 442, 282. doi: 10.1038/nature04969(5) Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Dommett, G. H. B.; Kohlhaas, K.M.; Zimney, E. J.; Stach, E. A.; Piner, R. D.; Nguyen, S. T.;Ruoff, R. S. Nature 2006, 442, 282. doi: 10.1038/nature04969
6. [6]
  (6) Li, X. L.; Zhang, G. Y.; Bai, X. D.; Sun, X. M.;Wang, X. R.;Wang, E. G.; Dai, H. J. Nat. Nanotech. 2008, 3, 538. doi: 10.1038/nnano.2008.210(6) Li, X. L.; Zhang, G. Y.; Bai, X. D.; Sun, X. M.;Wang, X. R.;Wang, E. G.; Dai, H. J. Nat. Nanotech. 2008, 3, 538. doi: 10.1038/nnano.2008.210
7. [7]
  (7) Berger, C.; Song, Z. M.; Li, T. B.; Li, X. B.; Ogbazghi, A. Y.;Feng, R.; Dai, Z. T.; Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P.N.; de Heer,W. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19912. doi: 10.1021/jp040650f(7) Berger, C.; Song, Z. M.; Li, T. B.; Li, X. B.; Ogbazghi, A. Y.;Feng, R.; Dai, Z. T.; Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P.N.; de Heer,W. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19912. doi: 10.1021/jp040650f
8. [8]
  (8) Sutter, P.W.; Flege, J. I.; Sutter, E. A. Nat. Mater. 2008, 7, 406.doi: 10.1038/nmat2166(8) Sutter, P.W.; Flege, J. I.; Sutter, E. A. Nat. Mater. 2008, 7, 406.doi: 10.1038/nmat2166
9. [9]
  (9) Reina, A.; Jia, X. T.; Ho, J.; Nezich, D.; Son, H.; Bulovic, V.;Dresselhaus, M. S.; Kong, J. Nano Lett. 2009, 9, 30. doi: 10.1021/nl801827v(9) Reina, A.; Jia, X. T.; Ho, J.; Nezich, D.; Son, H.; Bulovic, V.;Dresselhaus, M. S.; Kong, J. Nano Lett. 2009, 9, 30. doi: 10.1021/nl801827v
10. [10]
  (10) Li, X. S.; Cai,W.W.; An, J. H.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.;Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.;Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245(10) Li, X. S.; Cai,W.W.; An, J. H.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.;Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.;Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245
11. [11]
  (11) Li, X. S.; Zhu, Y.W.; Cai,W.W.; Borysiak, M.; Han, B. Y.;Chen, D.; Piner, R. D.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett.2009, 9, 4359. doi: 10.1021/nl902623y(11) Li, X. S.; Zhu, Y.W.; Cai,W.W.; Borysiak, M.; Han, B. Y.;Chen, D.; Piner, R. D.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett.2009, 9, 4359. doi: 10.1021/nl902623y
12. [12]
  (12) Gao, L.; Guest, J. R.; Guisinger, N. P. Nano Lett. 2010, 10,3512. doi: 10.1021/nl1016706(12) Gao, L.; Guest, J. R.; Guisinger, N. P. Nano Lett. 2010, 10,3512. doi: 10.1021/nl1016706
13. [13]
  (13) Pan, Y.; Zhang, H. G.; Shi, D. X.; Sun, J. T.; Du, S. X.; Liu, F.;Gao, H. J. Adv. Mater. 2009, 21, 2777. doi: 10.1002/adma.200800761(13) Pan, Y.; Zhang, H. G.; Shi, D. X.; Sun, J. T.; Du, S. X.; Liu, F.;Gao, H. J. Adv. Mater. 2009, 21, 2777. doi: 10.1002/adma.200800761
14. [14]
  (14) Zhang, Y. F.; Gao, T.; Gao, Y. B.; Xie, S. B.; Ji, Q. Q.; Yan, K.;Peng, H. L.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 5, 4014. doi: 10.1021/nn200573v(14) Zhang, Y. F.; Gao, T.; Gao, Y. B.; Xie, S. B.; Ji, Q. Q.; Yan, K.;Peng, H. L.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 5, 4014. doi: 10.1021/nn200573v
15. [15]
  (15) Ishigami, M.; Chen, J. H.; Cullen,W. G.; Fuhrer, M. S.;Williams, E. D. Nano Lett. 2007, 7, 1643. doi: 10.1021/nl070613a(15) Ishigami, M.; Chen, J. H.; Cullen,W. G.; Fuhrer, M. S.;Williams, E. D. Nano Lett. 2007, 7, 1643. doi: 10.1021/nl070613a
16. [16]
  (16) Xu, K.; Cao, P.; Heath, J. R. Nano Lett. 2009, 9, 4446. doi: 10.1021/nl902729p(16) Xu, K.; Cao, P.; Heath, J. R. Nano Lett. 2009, 9, 4446. doi: 10.1021/nl902729p
17. [17]
  (17) Yan, K.; Peng, H. L.; Zhou, Y.; Li, H.; Liu, Z. F. Nano Lett.2011, 11, 1106. doi: 10.1021/nl104000b(17) Yan, K.; Peng, H. L.; Zhou, Y.; Li, H.; Liu, Z. F. Nano Lett.2011, 11, 1106. doi: 10.1021/nl104000b
18. [18]
  (18) Gao, T.; Xie, S. B.; Gao, Y. B.; Liu, M. X.; Chen, Y. B.; Zhang,Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 11, 9194.(18) Gao, T.; Xie, S. B.; Gao, Y. B.; Liu, M. X.; Chen, Y. B.; Zhang,Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 11, 9194.
19. [19]
  (19) Liu, N.; Fu, L.; Dai, B. Y.; Yan, K.; Liu, X.; Zhao, R. Q.; Zhang,Y. F.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2011, 11, 297. doi: 10.1021/nl103962a(19) Liu, N.; Fu, L.; Dai, B. Y.; Yan, K.; Liu, X.; Zhao, R. Q.; Zhang,Y. F.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2011, 11, 297. doi: 10.1021/nl103962a
20. [20]
  (20) Zhang, Y. F.; Gao, T.; Xie, S. B.; Dai, B. Y.; Gao, Y. B.; Chen, Y.B.; Liu, M. X. Nano Res. 2012, 5, 402. doi: 10.1007/s12274-012-0221-6(20) Zhang, Y. F.; Gao, T.; Xie, S. B.; Dai, B. Y.; Gao, Y. B.; Chen, Y.B.; Liu, M. X. Nano Res. 2012, 5, 402. doi: 10.1007/s12274-012-0221-6
21. [21]
  (21) Zhao, R. Q.; Zhang, Y. F.; Gao, T.; Gao, Y. B.; Liu, N.; Fu, L.;Liu, Z. F. Nano Res. 2011, 4, 712. doi: 10.1007/s12274-011-0127-8(21) Zhao, R. Q.; Zhang, Y. F.; Gao, T.; Gao, Y. B.; Liu, N.; Fu, L.;Liu, Z. F. Nano Res. 2011, 4, 712. doi: 10.1007/s12274-011-0127-8
22. [22]
  (22) Meng, L.; Zhang, Y. F.; Yan,W.; Feng, L.; He, L. Dou, R. F.;Nie, J. C. Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 091601. doi: 10.1063/1.3691952(22) Meng, L.; Zhang, Y. F.; Yan,W.; Feng, L.; He, L. Dou, R. F.;Nie, J. C. Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 091601. doi: 10.1063/1.3691952
23. [23]
  (23) Li, G. H.; Luican, A.; Lopes dos Santos, J. M. B.; Castro, N. A.H.; Reina, A.; Kong, J.; Andrei, E. Y. Nat. Phys. 2010, 4, 109.(23) Li, G. H.; Luican, A.; Lopes dos Santos, J. M. B.; Castro, N. A.H.; Reina, A.; Kong, J.; Andrei, E. Y. Nat. Phys. 2010, 4, 109.
24. [24]
  (24) Chen, Z. Y.; Yuan, H. T.; Zhang, Y. F.; Nomura, K.; Gao, T.;Gao, Y. B.; Shimotani, H.; Liu, Z. F.; Iwasa, Y. Nano Lett. 2012,12, 2212. doi: 10.1021/nl204012c(24) Chen, Z. Y.; Yuan, H. T.; Zhang, Y. F.; Nomura, K.; Gao, T.;Gao, Y. B.; Shimotani, H.; Liu, Z. F.; Iwasa, Y. Nano Lett. 2012,12, 2212. doi: 10.1021/nl204012c
25. [25]
  (25) Gao, T.; Gao, Y. B.; Chang, C. Z.; Chen, Y. B.; Liu, M. X.; Xie,S. B.; He, K.; Ma, X. C.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano2012, 6, 6562. doi: 10.1021/nn302303n
  (25) Gao, T.; Gao, Y. B.; Chang, C. Z.; Chen, Y. B.; Liu, M. X.; Xie,S. B.; He, K.; Ma, X. C.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano2012, 6, 6562. doi: 10.1021/nn302303n

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 1591
文章访问数: 2860
HTML全文浏览量: 49

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

English

Controlled Growth of Graphene on Metal Substrates and STM Characterizations for Microscopic Morphologies

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

English

Controlled Growth of Graphene on Metal Substrates and STM Characterizations for Microscopic Morphologies

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs