ACS美國化學會 - ACS Central Sci | 復旦大學孫正宗、李巧偉：CO₂ 分子構築雙層石墨烯電子器件－鑽石舞台

英文原題：Precise CO2reduction for Bilayer Graphene

通訊作者：孫正宗，李巧偉

作者：鞏鵬，唐燦，王博冉，肖太師，朱顥

CO2是著名的溫室氣體小分子，晶體管是現代半導體器件的基本單元，這兩者之間會發生什麼奇妙的「化學反應」呢？我們可不可以從CO2出發，合成高質量的碳基半導體材料，製備具有電子開關功能的「綠色」晶體管呢？

背景介紹

在「碳中和」的背景下，CO2在特殊的光、電、熱催化條件下，可以轉化為具有高附加值的化學品，既可以固碳、減排，又為我們提供了必須的物資和材料。在眾多的碳基化學品中，具有不同堆積特性和能帶結構的雙層石墨烯，是下一代電子器件和扭轉電子學中明星材料；其大尺寸單晶的快速、精準生長還面臨一系列的挑戰。以CO2分子為原料，其中的碳原子組成石墨烯的骨架，而氧原子可以開啟銅表面的碳擴散通道；碳、氧原子協同，一起促進雙層石墨烯的成核和快速生長。

文章亮點

復旦大學孫正宗、李巧偉教授等人從簡單的CO2分子出發，通過精準調節生長窗口中碳、氧組分的比例，打破銅表面的自限制催化的束縛，將其快速還原為高質量的雙層石墨烯單晶。其中，單晶的生長速率高達300 μm h-1，是目前已知最快的雙層石墨烯生長速率。以此為基礎所製備晶體管的室溫遷移率可達2346 cm2V-1s-1，在下一代電子器件和扭轉電子學中有很好的應用前景。

圖文解讀

圖1. 雙層石墨烯單晶生長示意圖

在如圖1所示的雙溫區CVD裝置中，CO2分子首先在第一個溫區和還原氣氛保護中催化活化，接着在第二個溫區的銅箔上快速還原為雙層石墨烯單晶。通過氣相色譜，可以對體系內的活性組分進行定量的測定分析。

此方法生長雙層石墨烯單晶的平均尺寸約為200 μm。CO2不僅為生長提供碳源，還可以刻蝕掉多餘的無定形碳，從而保證雙層石墨烯晶體的質量。在透射電子顯微鏡的幫助下，可以清晰地觀察到雙層石墨烯的邊緣和晶格結構。值得注意的是，在雙層石墨烯產物中，AB堆積和30°旋轉的雙層石墨烯比例約為3:1。

圖2. 雙層石墨烯單晶生長機理

通過掃描電子顯微鏡可以清楚地記錄雙層石墨烯晶體的生長和演化過程。當反應時間為10 min時，單層石墨烯還未完全成膜。此時，已有雙層石墨烯的晶核點綴在單層石墨烯上面了；當反應時間為20 min時，雙層石墨烯和多層石墨烯晶核之比高達~50；當反應時間達到40 min時，單層石墨烯薄膜完全覆蓋催化基底表面，雙層石墨烯的晶核迅速長大，最大尺寸達到220 μm，且生長速率高達300 μm h-1。與此同時，雙層石墨烯單晶的晶體尺寸和覆蓋度都達到了最優值，覆蓋度達到65%。

因為CVD體系的壓力和活性組分中氧、碳組分之比呈現負相關性，我們可以通過調節體系壓力來精細調控雙層石墨烯的生長窗口。當壓力為1100−1200 Pa時，氧、碳組分之比達到2.3−2.6時，雙層石墨烯處於其最佳生長窗口。通過氣相色譜分析反應體系的氣體組分含量，可以得知：當沒有對CO2預先活化時，氣相組分中沒有甲烷存在，產物中沒有石墨烯生成；將碳源轉換為純甲烷時，則僅有單層石墨烯生成；只有當碳源為CO2時，可以在銅箔上生長出雙層石墨烯，正是來自CO2的氧促進了雙層石墨烯的生長。進一步的實驗表明，氧組分可以在單層石墨烯上製造缺陷，打開碳擴散通道，製造雙層石墨烯的成核位點。同時，適量的氧組分還可以抑制多層石墨烯的生長，提高雙層石墨烯的選擇性。

圖3. 雙層石墨烯晶體管

為了進一步評估雙層石墨烯的電子器件性能，我們通過微納加工將其製備成場效應晶體管。在室溫測試條件下，該材料的場效應晶體管顯示出2346 cm2V-1s-1的遷移率。

總結與展望

作者在文章中提出了一種獨特的催化策略，將CO2小分子精準地還原為高質量、大尺寸的雙層石墨烯單晶。在碳、氧活性組分的共同作用下，雙層石墨烯單晶的生長速率高達300 μm h-1。以CO2為碳源生長的雙層石墨烯單晶具有優良的電輸運特性，為下一代電子和旋轉電子器件提供了「綠色」的材料合成方案。

相關論文發表在ACS Central Science上，復旦大學鞏鵬為第一作者，孫正宗、李巧偉教授為通訊作者。

通訊作者信息

復旦大學孫正宗課題組主要致力於二維材料異質結構和能帶工程，二維電子器件和電化學器件等方面的研究。孫正宗教授於南京大學、美國萊斯大學分獲化學學士（2004年）與碩士（2007年）、博士學位（2011年）。2012年在美國加州大學伯克利分校物理系從事博士後研究。2013年獲中組部海外人才計劃，加入復旦大學擔任研究員、博士生導師。已經在Nature，Science，JACS，Nat. Comm.，ACS Cent.Sci.，ACS Catal.，Chem Mater.等學術期刊上發表論文，研究成果多次獲國際權威科技媒體報道。

掃描二維碼閱讀原文