早在2004年,物理界才刚刚开始认识到真正的二维(2D)材料石墨烯的存在。快进到2019年,科学家们探索了广泛的不同2D材料,希望能够发现更多的基本属性。这些新2D材料背后的狂热在于其迷人的特性:材料减薄到只有几个原子与3D版本的工作方式截然不同。包装在最薄层中的电子除了处于“松散网状”外,还显示出独特的特征。同样灵活的二维材料可以具有独特的电气特性,为下一代技术开辟了新的应用,例如可弯曲和可穿戴设备。

然后,什么是捕获?许多参数如温度,压力,前体类型和流速需要考虑到2D材料的CVD合成中。由于涉及多个反应,在反应期间优化所有这些因素并找到它们的最佳组合是极其困难的。话虽如此,2D材料合成难以控制。科学家们试图通过采用不同的基质,原料或温度来加速二维材料的生长。尽管如此,只有少数几种2D材料可以合成为大面积高质量的薄膜。

来自蔚山国家科学技术研究院(UNIST)基础科学研究所(IBS)的多维碳材料中心(CMCM)的科学家,与北京大学(PKU)和电子科学大学的研究人员合作中国科技大学(UESTC)证明,氟在所有元素中具有最强的吸引电子(即电负性)的趋势,可以加速化学反应,生长出三种代表性的二维材料; 石墨烯,h-BN和WS2。氟只需要一个电子即可获得高稳定性。此外,在原子的最外侧轨道上有七个电子,这些价电子所在的距离与其他元素相比是最小的。

实际上,诸如氢或氧的活性气体广泛用于调节石墨烯和其他2D材料的生长。“为什么不是最活跃的元素,氟?最高的电负性允许氟与周期表中的几乎所有原子形成键,因此预计会改变许多化学过程的反应路径,”冯鼎教授说。本研究的通讯作者。

实验上,在材料生长期间引入氟是不可取的,因为氟在反应器中变得剧毒。为了解决这个问题,科学家们没有直接使用氟气,而是在空间上限制了氟的供应,因此只消耗了最少量的氟。他们将金属氟化物衬底(MF 2)置于Cu箔下方,其间具有非常窄的间隙。在高温下,氟自由基从氟化物表面释放并在空间上被困在Cu箔和金属氟化物衬底之间的狭窄间隙中。令人惊讶的是,这种简单的变化导致石墨烯的记录生长速率为每分钟12毫米。为了正确看待这个速度,这种新方法减少了10厘米2的生长时间 使用以前的方法从10分钟开始使用石墨烯,现在只需3分钟。

局部氟的引入完全改变了甲烷分解途径。由于从金属氟化物表面释放的氟容易与甲烷气体反应,因此在Cu和BaF 2基板之间的间隙中将存在足够量的CH 3 F或CH 2 F 2分子。这些分子比Cu4更容易在Cu表面分解。换句话说,它们通过提供更多活性碳自由基(即CH 3,CH 2,CH和C)更好地为石墨烯的生长提供了动力。

进一步的实验研究表明,局部氟供应策略可以大大加速其他二维材料的生长,如h-BN和WS2。科学家们研究了空间受限的氟如何加速二维材料的生长。理论研究表明,高反应性的氟容易与甲烷分子相互作用。氟的存在导致CH 3 F或CH 2 F 2分子的形成。然后,这些高活性分子可以更容易地在Cu箔表面上分解,这极大地加速了碳供应以快速生长石墨烯。

尽管氟促进h-BN和WS2生长的详细机制尚不清楚,但作者相信氟的存在可以显着改变2D材料生长的反应。“我们预计,这种局部氟供应将很容易促进广泛的二维材料的快速增长,或使新二维材料的增长成为可能,这是其他方法很难实现的。” 冯丁教授。除氟化物外,还有丰富的基质,如硫化物,硒化物,氯化物或溴化物,可用作不同活性物质的局部供应源,提供足够宽的平台来调节广泛的二维物质的生长。