北大&清華Adv. Mater.:石墨烯前體促進石墨烯/ h-BN垂直異質結構快速生長及其在OLEDs中的應用

Nielsen 6年前 (2017-07-02) 33693瀏覽

【背景介紹】

基于二維層狀材料（如石墨烯和六方氮化硼）的垂直異質結構，由于其獨特的性能和超越其單一成分的多功能應用而激發了廣泛的興趣。高品質，大面積，均勻，垂直堆疊的Gr/h-BN異質結構的直接增長對于電子和光電子學的應用至關重要。然而，主要挑戰在于六方氮化硼（h-BN）底物的催化惰性性質，其通常提供相當低的碳前體分解速率，因此石墨烯的生長速度相對較低。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的劉忠范院士和張艷鋒研究員、清華-伯克利深圳學院的鄒小龍研究員 （共同通訊）等人開發了一種用于Cu箔上Gr/h-BN垂直異質結構快速生長的鎳茂前體促進途徑，其顯示出大大提高的合成效率（8-10倍快）和石墨烯的結晶質量（大單晶域高達≈20μm）。其合成路線的關鍵優點是利用從鎳離子分子中分解的鎳原子作為氣態催化劑，根據密度泛函理論計算，可以降低石墨烯生長的能量勢壘，促進碳源的分解。

【圖文簡介】

圖1?Gr / h-BN / Cu箔的兩步CVD生長途徑的示意圖及相關分析

a）分別用氨硼烷和二茂鎳作為前體的Gr/h-BN/Cu箔的兩步CVD生長途徑的示意圖

b）首先生長的單層h-BN在Cu箔上的SEM圖像

c，d）在全覆蓋單層h-BN上第二步沉積的石墨烯結構域的順序放大SEM圖像

e）轉移到SiO2襯底上的Gr/h-BN異質結構的AFM圖像

f）分別為Gr/h-BN（紅線）和h-BN（黑線）的紫外-可見透射率

g）分別在SiO2/Si上轉移的Gr/h-BN和純石墨烯的拉曼光譜

h）Cu箔上完全覆蓋的Gr/h-BN異質結構的SEM圖像

i）在SiO2/Si襯底上轉印的完全覆蓋的Gr / h-BN堆疊的圖片，以及OM圖像作為插圖

圖2?初始成核和Gr/h-BN生長

a）用苯甲酸作為石墨烯前體的初始成核和Gr/h-BN生長的生長時間依賴性SEM觀察（TP = 70℃）

b）Gr/h-BN與作為石墨烯前體的新戊烯（TP = 70℃）的相應生長行為

c）石墨烯結構域大小作為生長時間的函數，分別與二茂鐵（紅色），苯甲酸（藍色）和甲烷（黑色）前體的關系

d，e）分別用于石墨烯生長，無（藍色）和鎳催化劑（紅色）的兩個關鍵脫氫過程的最小能量路徑的DFT計算

圖3?比較SEM研究

a，b）比較SEM研究，顯示在h-BN/Cu箔上生長5分鐘，BA（TP≈70℃）加痕量Nc（TP≈20℃）和純度為 BA（TP≈70℃）分別作為前體時成核密度的不同

c）h-BN/Cu箔上石墨烯的覆蓋率分別作為三種碳前體的生長時間的函數

d，e）生長過程中試劑分解產物的熱力學能量DFT計算

圖4 TEM表征及STM表征及dI/dV光譜

a）在完整的h-BN層（在TEM網格上轉移）上的近六方石墨烯域的TEM圖像

b）Gr/h-BN疊層和下面的h-BN層的SAED圖案

c）從35個不同的Gr/h-BN結構域衍生出的Gr/h-BN疊層中石墨烯和h-BN之間的相對旋轉角度的統計分析

d）在Cu箔上的Gr/h-BN莫爾紋理的STM圖像

e）Cu箔上幾乎無缺陷的Gr/h-BN疊層的原子分辨率STM圖像（VT = -0.002V，IT = 13.906nA）

圖5?在OLEDs中的應用

a）以Gr/h-BN堆疊為電極的磷光綠色OLED器件示意圖

b）具有Gr/h-BN電極的柔性OLED的照片

c）Ir（ppy）2（tmd）在不同電壓下的發射光譜，主峰位于526nm

d）作為驅動電壓的函數的電流密度和亮度

e）EQE和PE作為Gr/h-BN陽極上的OLED的亮度的函數

f）分別基于Gr/h-BN和純石墨烯陽極的綠色OLED器件性能的比較

【總結】

開發了一種金屬原子促進的兩步CVD路線，通過選擇二茂鎳作為石墨烯前體來實現垂直堆疊的Gr/h-BN異質結構。實質上，這項工作為Gr/h-BN異質結構快速生長提供了一條全新的路線，具有實用的可擴展性，高效率和高結晶質量，因此應會推動其在透明電極，高性能電子器件， 和能量收集/過渡方向的發展。

文獻鏈接：Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth of Graphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201701325）

本文由材料人編輯部納米學術組Nielsen供稿，材料牛編輯整理。

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