新突破：現在能讓石墨烯，變成單層單晶
科學家們研究了一個真正的單層，即大面積石墨烯薄膜覆蓋在大面積銅箔上。改進了化學氣相沉積(CVD)生長方法，消除了石墨烯生長在銅箔上的所有碳雜質。這種均勻“...
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局部加入氟來促進石墨烯生長的實驗設計示意圖。圖：IBS
我們知道，物理學界直到2004年才知道二維材料石墨烯的存在。快進到2019年，科學家們探究了一些列的二維材料，以期發現更多的基本屬性。這些新型二維材料有著令人著迷的特性——只有幾個原子那麼厚的材料，工作方式與三維材料截然不同。除了具有獨特的導電和光學性能，二維材料的柔韌性也為下一代技術（如可彎曲和可穿戴設備）開闢了新的應用。
那麼，重點是什麼呢？在用化學氣相沉積法（CVD）製備二維材料時，像溫度、壓力、前驅體類型、流速等許多參數都需要考慮在內。由於涉及到多種反應，在反應過程中很難優化所有因素，並找到它們的最佳組合。也就是說，二維材料的合成很難控制。科學家們試圖採用不同的基質、原料和溫度來加速二維材料的生長。然而，很少有二維材料能夠合成為大面積、高質量的薄膜。
7月15日，來自韓國蔚山國家科學技術研究院、北京大學、電子科技大學和中國科學技術大學的研究人員，在Nature Chemistry上發表了一篇論文，證明了具有最強吸引電子能力（即電負性）的氟，能夠加速三種具有代表性的二維材料生長的化學反應。這三種二維材料是：石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和二硫化鎢（WS2）。氟只需要一個電子就能獲得很高的穩定性，而且在它原子最外層的軌道上有7個電子，與其他元素相比，這些價電子的距離也是最小的。這就意味著，氟的價電子與原子的結合比其他原子都強，這也使氟成為元素週期表中最活躍的元素。
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局部加入氟來促進石墨烯生長的實驗設計示意圖。圖：IBS
我們知道，物理學界直到2004年才知道二維材料石墨烯的存在。快進到2019年，科學家們探究了一些列的二維材料，以期發現更多的基本屬性。這些新型二維材料有著令人著迷的特性——只有幾個原子那麼厚的材料，工作方式與三維材料截然不同。除了具有獨特的導電和光學性能，二維材料的柔韌性也為下一代技術（如可彎曲和可穿戴設備）開闢了新的應用。
那麼，重點是什麼呢？在用化學氣相沉積法（CVD）製備二維材料時，像溫度、壓力、前驅體類型、流速等許多參數都需要考慮在內。由於涉及到多種反應，在反應過程中很難優化所有因素，並找到它們的最佳組合。也就是說，二維材料的合成很難控制。科學家們試圖採用不同的基質、原料和溫度來加速二維材料的生長。然而，很少有二維材料能夠合成為大面積、高質量的薄膜。
7月15日，來自韓國蔚山國家科學技術研究院、北京大學、電子科技大學和中國科學技術大學的研究人員，在Nature Chemistry上發表了一篇論文，證明了具有最強吸引電子能力（即電負性）的氟，能夠加速三種具有代表性的二維材料生長的化學反應。這三種二維材料是：石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和二硫化鎢（WS2）。氟只需要一個電子就能獲得很高的穩定性，而且在它原子最外層的軌道上有7個電子，與其他元素相比，這些價電子的距離也是最小的。這就意味著，氟的價電子與原子的結合比其他原子都強，這也使氟成為元素週期表中最活躍的元素。
氟的局部供應調節石墨烯生長的示意圖。圖：IBS
實際上，諸如氫或氧等活性氣體都被廣泛用於調節石墨烯和其他二維材料的生長。“為什麼不試試最活躍的元素氟呢？最強的電負性使得氟可以與元素週期表中幾乎所有原子形成鍵，所以我們猜測，它應該會改變很多化學過程的反應路徑。”論文通訊作者Feng Ding教授說。
實驗時，由於在反應器中的氟具有高毒性，所以在材料生長過程中加入氟是不可取的。為了解決這個問題，科學家們沒有直接使用氟氣，而是在空間上限制氟的供應，最終只消耗了最少量的氟。他們將金屬氟化物基質（MF2）置於銅箔下方，銅箔之間的間隙非常狹窄。在高溫下，氟自由基從氟化物表面釋放，在空間上被限制在銅箔和金屬氟化物基質之間的狹縫中。令人驚訝的是，這樣一個簡單的變化，就導致石墨烯以每分鐘12毫米的速度生長，這是一個破紀錄的速度。從這個角度來說，這種新方法可以將10cm2石墨烯的生長時間，從以前的10分鐘縮短到現在的3分鐘。
該方法完全改變了甲烷的分解路徑。由於金屬氟化物表面釋放的氟很容易與甲烷氣體反應，在銅箔和BaF2基質之間的間隙中就會有足夠量的CF3F或CH2F2分子。這些分子比CH4更容易在銅表面分解。換言之，它們通過提供更多的活性炭自由基（即CH3、CH2、CH和C），來促使石墨烯更好地生長。進一步的實驗研究表明，這種氟的局部供應策略還能極大地加快其他二維材料的生長，比如h-BN和WS2。
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局部加入氟來促進石墨烯生長的實驗設計示意圖。圖：IBS
我們知道，物理學界直到2004年才知道二維材料石墨烯的存在。快進到2019年，科學家們探究了一些列的二維材料，以期發現更多的基本屬性。這些新型二維材料有著令人著迷的特性——只有幾個原子那麼厚的材料，工作方式與三維材料截然不同。除了具有獨特的導電和光學性能，二維材料的柔韌性也為下一代技術（如可彎曲和可穿戴設備）開闢了新的應用。
那麼，重點是什麼呢？在用化學氣相沉積法（CVD）製備二維材料時，像溫度、壓力、前驅體類型、流速等許多參數都需要考慮在內。由於涉及到多種反應，在反應過程中很難優化所有因素，並找到它們的最佳組合。也就是說，二維材料的合成很難控制。科學家們試圖採用不同的基質、原料和溫度來加速二維材料的生長。然而，很少有二維材料能夠合成為大面積、高質量的薄膜。
7月15日，來自韓國蔚山國家科學技術研究院、北京大學、電子科技大學和中國科學技術大學的研究人員，在Nature Chemistry上發表了一篇論文，證明了具有最強吸引電子能力（即電負性）的氟，能夠加速三種具有代表性的二維材料生長的化學反應。這三種二維材料是：石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和二硫化鎢（WS2）。氟只需要一個電子就能獲得很高的穩定性，而且在它原子最外層的軌道上有7個電子，與其他元素相比，這些價電子的距離也是最小的。這就意味著，氟的價電子與原子的結合比其他原子都強，這也使氟成為元素週期表中最活躍的元素。
氟的局部供應調節石墨烯生長的示意圖。圖：IBS
實際上，諸如氫或氧等活性氣體都被廣泛用於調節石墨烯和其他二維材料的生長。“為什麼不試試最活躍的元素氟呢？最強的電負性使得氟可以與元素週期表中幾乎所有原子形成鍵，所以我們猜測，它應該會改變很多化學過程的反應路徑。”論文通訊作者Feng Ding教授說。
實驗時，由於在反應器中的氟具有高毒性，所以在材料生長過程中加入氟是不可取的。為了解決這個問題，科學家們沒有直接使用氟氣，而是在空間上限制氟的供應，最終只消耗了最少量的氟。他們將金屬氟化物基質（MF2）置於銅箔下方，銅箔之間的間隙非常狹窄。在高溫下，氟自由基從氟化物表面釋放，在空間上被限制在銅箔和金屬氟化物基質之間的狹縫中。令人驚訝的是，這樣一個簡單的變化，就導致石墨烯以每分鐘12毫米的速度生長，這是一個破紀錄的速度。從這個角度來說，這種新方法可以將10cm2石墨烯的生長時間，從以前的10分鐘縮短到現在的3分鐘。
該方法完全改變了甲烷的分解路徑。由於金屬氟化物表面釋放的氟很容易與甲烷氣體反應，在銅箔和BaF2基質之間的間隙中就會有足夠量的CF3F或CH2F2分子。這些分子比CH4更容易在銅表面分解。換言之，它們通過提供更多的活性炭自由基（即CH3、CH2、CH和C），來促使石墨烯更好地生長。進一步的實驗研究表明，這種氟的局部供應策略還能極大地加快其他二維材料的生長，比如h-BN和WS2。
石墨烯結構域生長的掃描電鏡圖像。圖：IBS
圖像顯示，2秒內足以使一個結構域生長到40μm，5秒內即可生長到約1 mm。該方法的生長速度比一般的方法快三個數量級以上，比此前連續供氧法的最快生長記錄還要快三倍多。
科學家們也研究了在空間上限制氟的供應，是如何加速二維材料生長的。理論研究表明，氟具有很高的活性，很容易與甲烷分子產生相互作用。氟的存在導致了CF3F或CH2F2分子的形成。這些高活性的分子更容易在銅箔表面分解，這就大大加快了石墨烯快速生長所必需的炭的供應。
儘管氟促進h-BN和WS2生長的具體機制尚不清楚，但研究者相信，氟的存在可以顯著改善二維材料生長的反應過程。“我們猜想，氟的局部供應能夠促進多種二維材料的快速生長，或者能夠使新型二維材料的生長成為可能，這通過其他方法是很難實現的。”Feng Ding教授說。除了氟化物之外，還有硫化物、硒化物、氯化物和溴化物等多種別的基質，都可以在不同的二維材料生長中起到類似的作用。
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