宁波材料所林正得Chem. Mater.：如何对石墨烯纳米片进行结构缺陷修补与缝合？

【引言】

石墨烯的制备与结构控制一直是石墨烯领域研究的重点，这对于其在相关领域的应用至关重要。其中，电化学剥离石墨是一种高效低成本合成石墨烯纳米片的有效方法。然而，该方法制备的石墨烯会存在大量的结构缺陷与官能团，结构的不完美导致其电学性质较低，从而受限其在电子器件领域的应用。因此，如何对电化学剥离得到的石墨烯纳米片进行结构缺陷修补，提升其基本的电学性质，是石墨烯纳米片现阶段研究的重要挑战之一。

【成果简介】

最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的林正得研究员课题组与合作者采用一种退火工艺，实现了对石墨烯纳米片的结构缺陷修复与片间的缝合生长，基于此可以在绝缘基板上直接制备高质量的石墨烯薄膜。研究人员介绍了一种简单的、快速的退火处理方法，通过使用金属镍膜对独立的石墨烯纳米片进行结构缺陷修复，同时可以在纳米片边缘的部分新生长出石墨烯。该方法可以直接在绝缘基板上预先构建石墨烯纳米片图形，退火处理后实现图案化的高质量连续的石墨烯。在该实验方法中，独立的石墨烯纳米片可以作为成核区域，高温过程中其自身局部的含碳团簇作为碳源通过镍膜催化，在石墨烯纳米片非饱和边缘处生长；同时，石墨烯纳米片的结构缺陷还可以被其进行修补，从而提高其整体的晶体结构质量和电学性能。退火后，石墨烯纳米片拉曼光谱可以显示出其结构缺陷峰基本消失，同时整体石墨烯的载流子迁移率可以超过1000 cm²V⁻¹s⁻¹，是该方法在铜膜催化作用石墨烯纳米片的10倍，是直接高温退火处理石墨烯纳米片的近100倍。相关内容以题为 “High-Quality Monolithic Graphene Films via Laterally Stitched Growth and Structural Repair of Isolated Flakes for Transparent Electronics” 发表在Chemistry of Materials上，文章的第一作者是中国科学院宁波材料技术与工程研究所的博士研究生孙洪岩，共同通讯作者为林正得研究员，李昕明博士和陈鼎教授。

【图文导读】

图1.绝缘基板上高质量石墨烯的制备过程

(a) 直接在绝缘基板上制备高质量石墨烯薄膜的流程图

(b) 石英基板上制备图案化石墨烯薄膜

(c) 原始分散的石墨烯纳米片SEM图

(d) 退火处理后转化的高质量完整石墨烯薄膜SEM图

图2. 石墨烯纳米片的结构缺陷修补

(a) 石墨烯纳米片结构缺陷修复与边缘生长高质量石墨烯薄膜示意图

(b) 石墨烯纳米片退火处理前后的Raman光谱图

(c) 原始石墨烯纳米片的D峰强度Mapping图

(d) 退火处理后高质量石墨烯薄膜的I_D/I_G强度比Mapping图

(e) 退火处理后高质量石墨烯薄膜的I_2D/I_G强度比Mapping图

(f) 高质量石墨烯薄膜边缘HRTEM图

(g) 扭转双层石墨烯的SAED图

(h) AB堆垛双层石墨烯的SAED图

(i) 扭转双层石墨烯(上)和AB堆垛双层石墨烯(下)的SAED图衍射斑点强度图

图3.石墨烯纳米片通过不同方式处理后的电学性能对比

(a) 不同退火处理方式的Raman对比图

(b) 不同退火处理方式的I_D/I_G强度比和I_2D/I_G强度比对照图

(c) 不同退火处理方式的载流子迁移率柱形图

图4.镍和铜原子对石墨烯边缘饱和H的吸附

(a) 镍和铜原子对石墨烯3种结构（A:armchair，B:transition region, C: zigzag）边缘H吸附的模拟图

(b) 采用第一性原理计算镍和铜原子对石墨烯3种结构的边缘H吸附能

图5.高质量石墨烯薄膜的光学和电学性能表征

(a)-(e) 不同浓度石墨烯纳米片分散液自组装获得的薄膜SEM图

(f)-(j) 不同浓度石墨烯纳米片分散液自组装薄膜经过退火处理后得到高质量石墨烯薄膜的SEM图

(k) 高质量石墨烯薄膜的紫外透光度对比图（对应SEM图 f-j样品）

(l) 高质量石墨烯薄膜的透光度与方阻关系对比图（对应SEM图 f-j样品）

(m) 高质量石墨烯薄膜的载流子迁移率对比图（对应SEM图 f-j样品）

图6.在带有沟槽的绝缘基板上制备高质量石墨烯

(a) 高质量石墨烯薄膜在石英基板上的亲/疏水性对比

(b) 直接在带有沟槽的绝缘基板上制备高质量石墨烯薄膜示意图

(c) 对比转移石墨烯薄膜和直接生长石墨烯薄膜在带有沟槽的绝缘基板上的利弊示意图

(d) 在带有沟槽的石英基板上制备连续的高质量石墨烯薄膜实物照片

【小结】

这项研究实现了一种对石墨烯纳米片进行结构缺陷修补与缝合成膜的有效方法，并可以直接在绝缘基板制备实现图案化制备石墨烯，相关方法有助于石墨烯纳米片在电子和光电器件领域的应用。

文献链接：High-Quality Monolithic Graphene Films via Laterally Stitched Growth and Structural Repair of Isolated Flakes for Transparent Electronics（Chemistry of Materials, 2017, DOI:10.1021/acs.chemmater.7b02348）

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