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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-南京大学高力波教授课题组工作精选汇总

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-南京大学高力波教授课题组工作精选汇总

       以石墨烯为代表的各种二维材料,由于具有不同于块体材料的特殊力、热、光、电、磁等物理性能,在多个学科领域中掀起了研究热潮。然而,二维材料制备技术的发展仍然是限制其是否能够真正应用的关键。二维材料薄膜中的晶界、位错、拓扑缺陷以及环境不稳定性严重影响其高质量物理性能的发挥,阻碍深入的物性研究和后续的产业应用。南京大学高力波教授课题组长期致力于通过化学气相沉积方法,可控制备大面积、高质量的二维材料薄膜,并对其进行物性研究和器件应用等。近年来,该课题组取得了如下代表性成果:

1. Nature:质子辅助生长超平整石墨烯薄膜

通过化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜具有不寻常的物理和化学性质,为诸如柔性电子器件和高频晶体管之类的应用提供了希望。然而,由于与衬底的牢固结合,在生长过程中总是会形成褶皱,这些褶皱限制了薄膜的大面积均匀性,极大地影响了石墨烯的最终应用效果。为解决这一问题,南京大学物理学院高力波教授课题组开发了一种质子辅助的化学气相沉积方法来生长无褶皱的超平整石墨烯薄膜通过质子的渗透和复合形成氢,可以减少传统石墨烯化学气相沉积过程中形成的褶皱。由于范德华相互作用的解耦以及与生长表面的距离增加,有些褶皱会完全消失。生长出的超平整石墨烯的电子能带结构表现出V形狄拉克锥以及原子平面内或整个原子台阶上的线性色散关系,证实了与衬底的去耦合作用。同时,石墨烯薄膜的超平整特性使得在湿法转移后,保持清洁的表面。即使在室温下,线宽为100微米的器件中也会出现强大的量子霍尔效应。通过质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜在很大程度上保留了其固有性能,为二维材料的大面积可控制备提供了新的解决方案。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-南京大学高力波教授课题组工作精选汇总

文章信息:Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films (Nature, 2020, 577, 204-208)

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3

2. Nat. Mater.:可控生长环境稳定型二维过渡金属硒化物薄膜

二维过渡金属硒化物(TMSs)具有优异的物理性质。然而,许多已经制备出来TMSs具有环境不稳定性并且样品尺寸受限,这极大地阻碍了它们在高性能电学器件中的广泛应用。为了解决环境稳定性难题,南京大学物理学院高力波教授课题组通过实验观察和理论预测,发现这些样品在大气环境下的不稳定性主要起源于二维材料中存在的氧键和原子空位。在此认识基础上,提出了新的两步气相沉积法,即先通过物理气相沉积法制备无氧的超薄过渡金属薄膜,再利用化学气相沉积法进行硒化生长,最终得到厚度尺寸可控、质量优良的无氧键和无原子空位的TMS薄膜。所生长的NbSe2薄膜的超导电性可与从块材剥离的薄片相媲美,并且在经过各种苛刻处理后表现出了极佳的环境稳定性,这是由于在整个生长过程中不存在氧所致。这样的环境稳定性可以大大简化器件应用的制备过程,并且在开发基于TMS的器件时应具有基础和技术意义。

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文章信息:Growth of environmentally stable transition metal selenide films (Nat. Mater., 2019, 18, 602-607)

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-019-0321-8

3. npj 2D Mater. Appl.:高度可拉伸的石墨烯纳米带弹簧

石墨烯纳米带是用作高导电性,柔性和透明互连或纳米电子有源沟道的理想候选者。然而,将窄的石墨烯纳米带图案化到<100 nm的宽度通常需要效率低下的微/纳米制造工艺,这对于大面积或柔性电子和传感应用而言很难实现。有鉴于此,南京大学物理学院高力波教授及合作者开发了一种精确且可扩展的纳米线光刻技术,能够可靠地批量制备具有可编程几何形状且宽度低至~50 nm的超长石墨烯纳米带阵列。通过使用超长硅纳米线作为掩膜,在少层石墨烯薄片上对有序的石墨烯纳米带进行构图。更重要的是,预先设计石墨烯纳米带的几何形状并将其设计成弹性二维弹簧,可以实现>30%的出色拉伸性,同时进行稳定且可重复的电子输运。这种简便且可扩展的纳米线光刻技术具有巨大的潜力,可以建立通用且有效的策略以批量图案化或集成各种二维材料,作为新兴柔性电子应用的有源沟道和互连。

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文章信息:Highly stretchable graphene nanoribbon springs by programmable nanowire lithography (npj 2D Mater. Appl., 2019, 3, 23)

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41699-019-0105-7

4. ACS Nano:通过晶界增强石墨烯的强度

从器件应用的角度来看,迫切需要石墨烯的极高机械强度。然而,通过化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜不可避免的多晶性质会导致机械性能的显著波动。尽管已经广泛研究了原子缺陷或晶界(GBs)对机械强度的影响,并且已进行了一些改进以增强石墨烯的刚度,但仍会出现脆性以及断裂强度显著降低的问题。有鉴于此,南京大学物理学院高力波教授课题组报道了对具有可控晶界密度和分布的CVD石墨烯薄膜的弹性模量和断裂强度的系统研究。研究发现,通过大幅增加晶界的密度而不会在内部形成三重结,石墨烯薄膜会变得更加坚固。平均晶粒尺寸为20 nm时,可以实现2D杨氏模量为436 N/m(       ~1.3 TPa)和2D断裂强度为43 N/m(~128 GPa)的综合性能。这些晶界的机械研究为通过晶界结构工程获得2D材料的最佳机械性能提供了指导。

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文章信息:Enhancing the Strength of Graphene by a Denser Grain Boundary (ACS Nano, 2018, 12, 4529-4535)

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00869

5. 2017年获得国家自然科学奖二等奖

2017年,中科院金属所完成的“高质量石墨烯材料的制备与应用基础研究”项目获得国家自然科学奖二等奖,主要完成人为任文才,成会明,陈宗平,吴忠帅,高力波。该项目自2007年起深入系统地开展了化学气相沉积(CVD)法和化学氧化剥离法制备高质量石墨烯材料及其在储能、光电和复合材料领域应用的基础研究,取得了多项原创性成果:提出了以多孔金属为生长基体的模板导向CVD方法,制备出高导电、柔性的石墨烯三维网络结构材料,并研制出基于该材料的高性能弹性导体和轻质高效的柔性电磁屏蔽材料,拓展了石墨烯的物性和应用。揭示了石墨烯边界依赖的生长动力学,率先制备出毫米级高质量单晶石墨烯,发明了普适的电化学气体鼓泡无损转移方法,为石墨烯在光/电子器件中的应用奠定了基础。结合石墨烯和高容量金属氧化物的结构性能特点,提出将两者复合的思路,制备出锂离子电池和超级电容器用高性能石墨烯锚固金属氧化物纳米颗粒复合电极材料,发现并阐明了两者之间的协同储能效应。提出了氢电弧快速加热膨胀解理与还原方法和高效、无损的氢碘酸还原方法,显著提高了还原氧化石墨烯材料的导电性,为石墨烯的规模制备和应用研究奠定了基础。

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6. Nature:晶圆级石墨烯薄膜的面对面转移

自从实验发现以来,石墨烯已经引起了全世界的关注,但是在SiO2/Si晶圆上制备大面积连续石墨烯薄膜,没有与生长相关的形态缺陷或转移引起的裂纹和褶皱,仍然是一个艰巨的挑战。由于与工业级卷对卷技术的兼容性,通过化学气相沉积在Cu箔上生长石墨烯已成为一项强大的技术。但是,铜箔的多晶性质和微观粗糙度意味着这种卷对卷转移的薄膜存在裂纹和褶皱。需要高保真转移或在任意衬底上直接生长高质量石墨烯薄膜,以实现在光子学或电子学中的广泛应用。为了解决这一难题,高力波博士等开发了一种晶圆级石墨烯薄膜的面对面转移方法,这是迄今为止在一个晶圆上完成生长和转移步骤的唯一已知方法。这种自发转移方法依赖于在蚀刻金属催化剂期间石墨烯薄膜与下面衬底之间新生的气泡和毛细管桥。与之前报道的湿法或干法转移结果相反,无需手动进行面对面转移,并且可以与任何尺寸和形状的衬底兼容,与传统的转移方法相比,该方法还具有转移缺陷密度大大降低的优点。最重要的是,石墨烯在底层衬底上的直接生长和自发附着适合半导体生产线中的批量处理,因此将加快石墨烯的实际技术应用。

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文章信息:Face-to-face transfer of wafer-scale graphene films (Nature, 2014, 505, 190-194)

文章链接:https://www.nature.com/articles/nature12763

7. Nat. Commun.:毫米级单晶晶粒石墨烯的重复生长和鼓泡转移

由于石墨烯晶粒之间的晶界会显著降低其质量和性能,因此迫切需要大面积单晶石墨烯,对于石墨烯在电子产品中的应用至关重要。为了解决这一难题,高力波博士等报道了通过常压化学气相沉积方法,在Pt上实现了毫米级六角形单晶石墨烯和石墨烯薄膜的生长。利用鼓泡方法,可以将这些单层石墨烯晶粒和石墨烯薄膜转移到任意衬底上,对石墨烯和Pt衬底都没有损伤。Pt衬底还可重复用于石墨烯生长。石墨烯表现出高晶体质量,最低褶皱高度为0.8 nm,在环境条件下的载流子迁移率大于7,100 cm2 V-1 s-1在Pt衬底上,大单晶晶粒石墨烯的可重复生长及其无损转移有望实现各种应用。

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文章信息:Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum (Nat. Commun., 2012, 3, 699)

文章链接:https://www.nature.com/articles/ncomms1702

团队介绍

高力波老师,现任南京大学物理学院教授,2014年入选海外高层次青年人才,2016年入选江苏省双创人才。2006年本科毕业于大连理工大学材料系;2011年博士毕业于中国科学院金属研究所,师从成会明院士;2011年9月-2015年4月,在新加坡国立大学石墨烯研究中心从事博士后研究,合作导师Loh Kian Ping。高力波博士一直从事石墨烯与其他二维材料的相关研究,主要为材料制备的新方法研究。曾以第一作者和通讯作者身份,在国内外发表Nature正刊、Nature Communications、JACS、ACS Nano等多篇论文,并且同时参与发表多篇Nature Materials,Nature Communications等文章,迄今共发表SCI收录论文36篇,引用超过9000余次。担任过包括Nature Materials、Nature Nanotechnology、ACS Nano、Carbon、Chemistry of Materials、Advanced Functional Materials等在内多个杂志的审稿人。

高力波老师课题组主页:https://cvd.nju.edu.cn/


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