Re(0001)上強界面相互作用誘導的石墨烯-碳化物新奇的轉(zhuǎn)變行為

吳凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

Re(0001)上石墨烯通過高溫退火轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘偬蓟锏倪^程：石墨烯在高溫下發(fā)生裂解，碳原子向體相溶解，在降溫過程中碳原子向表面偏析形成碳化物

利用化學氣相沉積(CVD)法制備石墨烯的過程中，在元素周期表中不同過渡金屬基底上，石墨烯的生長可能伴隨著復雜的金屬碳化物的形成。對于IB-IIB族過渡金屬，在石墨烯生長條件下，不會形成碳化物1–3；然而，相同生長條件下，VIII族過渡金屬會形成亞穩(wěn)態(tài)的碳化物，但其在高溫退火過程中并不穩(wěn)定，會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，從而出現(xiàn)從金屬碳化物到石墨烯的轉(zhuǎn)變過程4–6；對于IVB-VIB族過渡金屬，CVD生長所形成的碳化物十分穩(wěn)定，它形成于石墨烯生長的初始階段，并且穩(wěn)定存在于整個生長過程之中7。然而，對界于IVB-VIB族與VIII族過渡金屬之間的 VIIB族金屬，CVD生長過程中石墨烯與金屬碳化物的相互轉(zhuǎn)化過程仍未有明確的報道。

北京大學納米化學研究中心劉忠范院士、張艷鋒研究員課題組，在前期工作中成功地在VIIB族過渡金屬Re的(0001)單晶表面實現(xiàn)了石墨烯的可控制備8。在此基礎上，他們以Re(0001)作為VIIB族過渡金屬的典型代表，研究了CVD生長過程中石墨烯與碳化物(碳化錸)之間復雜的轉(zhuǎn)變行為。通過掃描隧道顯微鏡(STM)及原位-高溫低能電子衍射(LEED)表征，首次發(fā)現(xiàn)在Re(0001)基底上生長的石墨烯，經(jīng)過高溫退火會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘偬蓟?。該轉(zhuǎn)變趨勢與VIII族過渡金屬基底上石墨烯向金屬碳化物轉(zhuǎn)變的趨勢截然相反(例如：隨著生長/退火溫度提升，Ni2C會轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。研究表明，該轉(zhuǎn)變行為主要包括以下三個階段：(1) 903 K時，乙烯在Re(0001)基底上催化裂解形成石墨烯(圖b，f)；(2) 953–1113 K高溫退火過程中，石墨烯逐步碎裂、碳原子溶解于Re體相(圖c–e，g–i)；(3) 降溫過程中，碳原子從Re體相偏析到金屬基底表面形成金屬碳化物。

這一工作深入研究了VIIB族過渡金屬Re的(0001)晶面上石墨烯與金屬碳化物的轉(zhuǎn)變行為，深化了我們對于元素周期表中不同過渡金屬上石墨烯-金屬碳化物的生長和相互轉(zhuǎn)變行為的認識，填補了該研究方向上的空白。同時，也為目前備受關注的這兩類材料(即石墨烯與金屬碳化物)的可控制備開拓了新的研究體系。該研究成果近期在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表9。