武汉大学化学与分子科学学院物理化学研究所付磊

jintou

武汉大学Adv. Mater.综述：石墨烯在液体表面的可控生长

石墨烯的可控制备对于其实际应用至关重要，但是化学气相沉积（CVD）方法传统使用的是固态金属基底（例如铜（Cu）和镍（Ni）），其具有成核不均匀和碳偏析不可控的缺点。相较而言，液态基底可提供准原子级光滑的表面，有助于石墨烯的均匀生长；液态表面快速的扩散速率会引起独特的生长和蚀刻动力学，这使得其上的石墨烯单晶可具有新颖的形态；流变表面赋予石墨烯单晶在特定的相互作用力驱动下实现自动调节的旋转、对准和运动能力；利用液态金属还可以实现石墨烯的无聚合物辅助转移或在绝缘基底上直接生长。本文总结了石墨烯在液体表面的生长行为，介绍并深入讨论了石墨烯在液体表面的可控生长、蚀刻、自组装和输送方面的进展。此外，本文还探讨了石墨烯在液体表面上生长的前景和未来发展方向。

CVD被认为是一种有望实现高质量石墨烯批量生产的方法。在生长过程中，设计合适的催化基底对于控制其厚度、形态和分布以及进一步应用十分重要。固态金属基底虽然已被广泛研究，但由于其复杂的表面形貌使其生长动力学难以控制，例如晶界处的不均匀碳成核和不可控制的碳析出会导致石墨烯质量低且层数不均匀。采用昂贵的单晶基底虽有助于石墨烯的均匀生长，但该方法耗费高昂且产率极为有限。液态表面可达到准原子级光滑，为研究者提供了另一种新型、便捷可控的方法生长高质量的均匀石墨烯。

近期，来自武汉大学的付磊教授等人在Advanced Materials上发表了一篇题为“Controllable Growth of Graphene on Liquid Surfaces”的文章。在这篇综述中，作者重点关注石墨烯在液体表面上的可控生长行为。文中描述了均匀单层石墨烯的制备以及具有特殊形貌单晶的可控合成和刻蚀行为，并介绍了石墨烯在液体表面的组装策略，以及基于液态金属所实现的石墨烯的无聚合物辅助转移和其在绝缘基底上的直接生长，证实了液态表面在石墨烯生长方面的优越性。最后，本文还探讨了石墨烯在液体表面上生长的前景和该方法的发展方向。

本文着重介绍了石墨烯在液体表面的可控生长。由于独特的催化生长和蚀刻行为，研究者能够在液态表面获得具有均匀单层、可控形貌和多级结构等特征的石墨烯晶体。1）液体光滑的表面能够抑制不均匀的成核和非平衡的偏析，从而实现均匀的单层石墨烯的生长。该法还具有获得大尺寸石墨烯单晶的潜能，尽管相关工作仍未得到充分研究。2）石墨烯制备中的另一个挑战是具有电场可调节带隙的伯纳尔堆垛的石墨烯晶体的可控生长。3）液体表面的快速扩散速率可以实现具有各种新奇形貌的石墨烯单晶的生长或蚀刻行为，进而促进石墨烯纳米结构的制备。4）液体的流变表面为石墨烯单晶的自由旋转、自对准和移动提供了理想的操作平台。未来的努力可以集中在其他2D材料在液态表面的自组装策略的开发上，例如过渡金属二硫族化物（TMDs），过渡金属碳化物（TMC）及其异质结构。5）基于液态金属弱的原子间相互作用和高的蒸气压，石墨烯在绝缘基底上的直接转移或生长得以实现，从而有助于制备超净石墨烯。将来的努力应集中在对直接生长在绝缘基底上的石墨烯的结晶性的改善，这可以通过使用具有适当蒸气压和催化活性的液态金属来实现。

文献链接：Controllable Growth of Graphene on Liquid Surfaces (Adv.Mater.，2018，DOI: doi/10.1002/adma.201800690)