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太阳成集团tyc234cc:金属表面石墨烯生长机理研究取得重要进展

时间:2012-04-11 06:29:58 来源:合肥微尺度物质科学国家实验室|

  近日,合肥微尺度物质科学国家实验室李震宇副教授、侯中怀教授、杨金龙教授等的合作研究在金属表面石墨烯生长机理的理论研究方面取得重要进展。最新成果发表在 J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6045上。


  由于其独特的物理化学性质,石墨烯有望在多个方面获得重要应用。化学气相沉积法是大规模制备石墨烯的一种重要方法。而Ir是其中一种重要的衬底材料。Ir表面生长的石墨烯可以作为模板进一步生长规则排列的金属纳米粒子超结构,在纳米催化、纳米磁性等领域有重要应用前景。在Ir表面,实验上观测到石墨烯的生长速率与表面C原子浓度呈大约五次方的关系。这表明在这种表面上石墨烯生长并不是通过常见的单个C原子贴附过程来进行,某种5个C原子的协同作用过程决定了整个生长动力学。一种可能的解释是石墨烯的生长主要是C5团簇的贴附。考虑到C5团簇的浓度远小于C原子的浓度,它究竟以何种机理在Ir表面石墨烯生长过程中起到关键性的作用并不清楚。


  为了阐明Ir表面石墨烯非线性生长的机理,他们对该体系进行了第一性原理计算和多尺度模拟。他们发现,由于石墨烯与Ir衬底之间的晶格失配,在石墨烯边缘不同的位置,C物种贴附的热力学明显不同。在某些位置,单个C原子贴附后占据顶位。因为C原子在Ir表面的顶位吸附很不稳定,这类贴附过程是热力学禁阻的吸热过程。即使在高温下C原子可以很快的贴附在这些位置,他们也会更快的脱附,使得C原子对这些位置上石墨烯的生长没有贡献。这时,如果有一个合适大小的C团簇扩散到这些位置,贴附变成放热过程,石墨烯生长就可以继续下去。考虑到团簇的浓度低,他们找到这些单原子吸附困难的位置的几率很小。所以,团簇吸附是整个生长过程的速控步,从而直接导致了实验上观察到的非线性生长行为。




  尽管第一性原理计算给出了石墨烯生长的主要物理图像,但是直接模拟生长过程仍然十分困难。一方面,为了统计生长速度需要一个很大的单胞,而大单胞就意味着大计算量。解决的办法是对远场采用准平衡近似,只考虑生长前沿发生的事件。这样我们可以取一个很小的单胞随着生长前沿移动。另一方面的困难是不同大小的C团簇浓度相差很大,这使得不同时间的发生几率相差很大,从而使得模拟效率大大降低。为此,他们建立了一种多尺度动力学蒙特卡罗模型。最后的模拟结果给出与实验数据十分接近的非线性生长行为。多尺度模拟表明虽然实验观察到接近于5次方的生长动力学,但是这并不完全由C5团簇贡献,而是几种团簇的协同作用。


  这种由晶格失配导致的非均匀生长具有一定的普适性,有望用来调控异质外延生长的动力学行为。例如,这项研究预测将石墨烯与Ir衬底的相对取向旋转30度,石墨烯可以更快的生长,生长速度与C原子浓度大致呈平方关系。


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