二茂镍碳源实现石墨烯在氮化硼表面的快速生长

注：文末有本文作者科研思路分析

石墨烯和六方氮化硼作为结构相似的二维材料，可以通过弱范德华力形成层间异质结构。这种结构可表现出新颖的物理化学特性，具有广阔的应用前景。因此，发展一种稳定可靠的方法来合成大面积、高质量、堆垛形式可控的异质结构是相关领域的重要研究内容。

北京大学纳米化学研究中心的刘忠范院士（点击查看介绍）和张艳锋研究员（点击查看介绍）课题组利用化学气相沉积技术，致力于石墨烯/氮化硼层间异质结构的可控制备。他们选取固态苯甲酸作为碳源，利用生长温度触发的化学反应，在铜箔上实现了层间/面内异质结构的选择性可控生长（Nature Commun., 2015, 6, 6835）；并利用PMMA晶核，实现了氮化硼表面石墨烯单晶整列的制备（Nano Lett., 2016, 16, 6109）。

在前期工作的基础上，该课题组最近利用二茂镍作为石墨烯生长的碳源，实现了氮化硼表面石墨烯的快速生长。二茂镍是由一个镍原子和两个碳五元环形成的金属茂基配合物，在高温下可以裂解产生碳碎片和镍原子。因此，利用二茂镍作为碳源有望同时实现碳源供给和气相催化。实验表明，利用二茂镍碳源生长石墨烯的速率相比苯甲酸碳源提高了四倍，接近石墨烯直接在铜箔上生长的速率。为了解释这种独特的生长现象，他们与清华-伯克利深圳学院的邹小龙研究员进行了理论计算方面的合作。DFT计算结果表明二茂镍产生的镍原子吸附在石墨烯生长的边缘，可以显著降低石墨烯生长的势垒，促进石墨烯的快速生长。

图1. 利用二茂镍碳源在氮化硼表面生长石墨烯。(a) 生长示意图；(b-i) 生长结果的表征。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北京大学的博士研究生李秋珵，通讯作者是北京大学的刘忠范院士、张艳锋研究员以及清华-伯克利深圳学院的邹小龙研究员。

该论文作者为：Qiucheng Li, Zifeng Zhao, Baoming Yan, Xiuju Song, Zhepeng Zhang, Jia Li, Xiaosong Wu, Zuqiang Bian, Xiaolong Zou, Yanfeng Zhang, Zhongfan Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth of Graphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs

Adv. Mater., 2017, 29, 1701325, DOI: 10.1002/adma.201701325

导师介绍

刘忠范

http://www.x-mol.com/university/faculty/8703

张艳锋

http://www.x-mol.com/university/faculty/18964

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：该想法启发于江绵恒课题组利用硅烷作为石墨烯生长的气态催化剂（Nat. Commun., 2015, 6, 6499），促进石墨烯在氮化硼表面的快速生长。我们设想能否发展一种含有催化剂的碳源，一步实现生长和催化，于是我们考虑使用含有金属的二茂镍分子。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这是一种新的生长体系，我们需要摸索最优的石墨烯生长条件并控制变量和其他碳源进行对比，还需要花费大量的时间收集相关的对比数据并进行深入的分析。这项研究是对石墨烯在氮化硼表面生长过程的深入探究，从材料生长到精细的形貌、结构表征，并结合理论计算理解和解释实验现象。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们将得到的石墨烯/氮化硼层间结构应用于有机发光二极管（OLED）的电极材料，可以制备高效的柔性OLED器件。此外，石墨烯/氮化硼层间结构还可用于场效应晶体管（FET），构筑高迁移率的石墨烯半导体器件。这些应用都需要大规模、快速高效的制备方法，因此我们的研究具有很重要的应用价值。