武漢大學付磊課題組Chem：我有一個美麗的願望，長大以後能播種……石墨烯

最新 02-14

????

副標題：液態金屬中金屬氧化物納米粒子自組裝實現石墨烯單晶的批量播種

在原子尺度上隨心所欲地實現可控有序自組裝是人類的一個夢想。將納米粒子組裝成有序的陣列結構能產生基元單體不具備的集群性能，在很多領域都有著巨大的應用潛景。靜電相互作用是一種遠程力，在不同尺度上均發揮著關鍵作用，小至離子晶體的形成，大到大分子複雜的自組裝。分散在水溶液中的納米粒子由於電離作用而攜帶電荷是一種常見的現象，納米粒子間的靜電相互作用不僅能促使組裝為超結構，還能以吸引力和排斥力的形式來調控自組裝。因此，合理設計和控制粒子間的靜電相互作用是實現有效自組裝的一個關鍵。近年來，有研究工作指出金屬氧化物和液態金屬間由於存在功函差異會發生顯著的充電現象，這不禁引人思考，納米粒子在液態金屬中是否也能如水溶液體系般發生自組裝呢？

武漢大學付磊教授的先進納米材料實驗室（LAN）率先在這一領域取得了突破，他們首次實現了金屬氧化物納米粒子在液態金屬表面的自組裝。他們選用的研究對象是含有氧化鋁納米粒子的工業銅，當銅在高溫下處於融化狀態時，液態銅與氧化鋁相互接觸，由於二者功函差異電子會從氧化鋁流向銅直至費米能級達到平衡。液態銅的流動性使得帶電氧化鋁納米粒子可以在液態銅中自由移動，粒子與粒子間的靜電斥力促使它們能組裝為有序的陣列結構（圖1），而且其尺寸可覆蓋整個基底表面。

圖1. 液態金屬中金屬氧化物納米粒子的自組裝。圖片來源：Chem

考慮到氧化鋁納米粒子可以極大降低晶體的成核能壘，研究團隊將所獲得的氧化鋁納米粒子陣列作為成核點，以化學氣相沉積（CVD）方法生長石墨烯單晶，實現了石墨烯的大範圍精確「播種」，得到了大面積的石墨烯單晶陣列（圖2）。掃描電鏡（SEM）結果表明，即使在如此大面積的陣列中，石墨烯單晶依然分布均勻，排列近似六邊形，而且尺寸均一，表現出了很好的周期性。從放大的SEM圖像中，還能清晰的看到位於石墨烯晶體中心的氧化鋁納米粒子（圖2C）。

圖2. 基於氧化鋁納米粒子陣列「播種」得到的石墨烯單晶陣列。圖片來源：Chem

基於這種策略得到的石墨烯單晶陣列，其周期性與氧化鋁納米粒子陣列幾乎完全一致，因此改變氧化鋁納米粒子陣列的周期性就能夠調控石墨烯單晶陣列的周期性。研究團隊通過高純度銅（p-Cu）與工業銅（i-Cu）共同融化來降低氧化鋁納米粒子的密度，以實現對石墨烯單晶陣列周期性的調控。SEM圖像顯示，不同氧化鋁納米粒子密度下，石墨烯單晶陣列的周期性的確產生了受控的變化（圖3）。