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激光退火技术制备石墨烯

2017-02-06 10:30
华静一
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石墨烯是一种由碳制成的纳米材料,这种超薄材料不仅坚固,其优异的导电导热性质更是吸引了全世界科学家的目光。

我们的智能手机都含有一块明亮的AMOLED(主动矩阵有机发光二极体,ActiveMatrix/Organic Light Emitting Diode)显示屏。这些显示屏中的每个单像素后面都隐藏着至少两个硅晶体管,这种硅晶体管是基于激光退火技术大批量制造出的。利用传统方法制备这些材料通常需要1000℃的高温,而激光技术利用较低的温度便可达到相同的效果,甚至可以在塑料(熔点低于300℃)基底上制备。有趣的是,同样的操作工艺也可应用在石墨烯材料的制备上。

利用高分辨透射电子显微镜可观察到,经过30纳秒的激光脉冲,碳化硅(silicon carbide,SiC)基质便会融化分解成碳单层和硅单层。如果施加更多的激光脉冲,碳单层会组成石墨烯结构而硅则汽化分离。

来自基础科学研究所(Institute for Basic Science,IBS)多维碳材料研究中心(Center for Multidimensional Carbon Materials)的KEON Jae Lee教授研究团队,以及来自韩国科学技术院(KoreaAdvanced Institute of Science and Technology,KAIST)的CHOI Sung-Yool课题组,发现了利用激光诱导固相分离单晶碳化硅(SiC)的石墨烯合成机理。在这项发表在《自然·通讯》(Nature Communications)的研究中,介绍了如何利用激光技术将混合组分(SiC)分离成超薄的碳和硅单质。

尽管准分子激光对基本材料(如硅)转换的影响机制在一些基础研究中得到了解释,但由于复杂组分的相转移过程及超短的处理时间,激光对于多组分复杂体系(如SiC)的作用机制还很少被研究。

科学家利用高分辨率显微镜图像和分子动力学模拟发现,经30纳秒氯化氙准分子激光器的单脉冲照射熔化SiC时,可形成SiC液相层,其中上层为具有石墨晶畴的无序碳层(约2.5nm厚),下层为多晶硅层(约5nm)。随着脉冲强度增加,可引起硅的升华分离,而无序碳层将转变为多层石墨烯。

“这项研究表明,激光材料交互技术可成为下一代二维纳米材料研究的强大工具,” Keon教授说。Choi教授补充说:“未来我们可利用激光诱导复杂化合物相分离,并以此合成新型的二维材料。” IBS的Keon教授来自KAIST材料科学与工程学院,Choi教授来自KAIST电气工程与石墨烯研究中心。

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