石墨烯研究取得新成果 晶粒尺寸調(diào)控-承德人和礦業(yè)

日前，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部石墨烯研究組的最新研究成果問世，相關(guān)論文于2月16日在《自然—通訊》在線發(fā)表。

晶界是在化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備的大面積石墨烯薄膜中普遍存在的缺陷。深入理解晶界對石墨烯的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的影響對發(fā)展基于石墨烯的電子、光電和熱電器件具有重要意義。

“盡管目前對于單個晶界對石墨烯性質(zhì)影響的研究較多，但宏觀尺度上晶粒尺寸對石墨烯電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的影響尚不清楚。其主要原因是基于傳統(tǒng)的析出（鎳基體）或表面吸附生長（銅基體）機(jī)制的CVD生長方法無法在大范圍內(nèi)調(diào)控石墨烯的晶粒尺寸，制備晶粒尺寸小于電子和聲子平均自由程（約1微米）的小晶粒石墨烯尤為困難。”論文第一作者、金屬所博士生馬騰告訴《中國科學(xué)報》記者。

石墨烯研究組采用溶碳量適中的金屬鉑片作為生長基體，發(fā)展出一種基于“析出—表面吸附生長”原理的CVD方法，僅通過改變析出溫度便實(shí)現(xiàn)了對石墨烯形核密度的控制，制備出晶粒尺寸在~200 納米到~1 微米范圍內(nèi)均一可調(diào)且晶界完美拼合的高質(zhì)量單層多晶石墨烯薄膜。

在此基礎(chǔ)上，研究組還獲得了晶粒尺寸對多晶石墨烯的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律及晶界電阻率（~0.3 kW·μm）和晶界熱導(dǎo)（~3.8×109 Wm-2K-1），發(fā)現(xiàn)減小晶粒尺寸可導(dǎo)致熱導(dǎo)率的顯著降低，但對電導(dǎo)率的影響較小。

馬騰指出，根據(jù)該影響規(guī)律研究組推算，當(dāng)石墨烯的晶粒尺寸從1毫米減小到5納米時，其熱導(dǎo)率的衰減幅度可達(dá)300倍，而電導(dǎo)率的衰減僅為10倍左右，并且熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率隨晶粒尺寸變化的變化率高于典型的半導(dǎo)體熱電材料。上述結(jié)果可為通過晶粒尺寸工程調(diào)控石墨烯的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)其在電子、光電和熱電領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益的指導(dǎo)。