02多晶铜箔的制备
实验上,通过对原始铜箔进行变形和退火处理,可以获得各种孪晶结构。图2a、d、g显示了对扁平铜箔进行退火的结果,其中电子背散射衍射(EBSD)映射显示冷轧箔形成了与小的孪晶晶粒相关的强立方体织构{001}<100>多晶。如果压痕Cu箔沿横向(TD)弯曲,则整个箔中仅形成一种孪晶结构,如图2b,e,h所示,在箔的整个区域上,只能看到两种不同的光强度,这是由两种不同晶体取向的不同氧化率引起的。EBSD映射表明光学图像中的暗区和亮区分别近似为(1 1 6)和(1 1 1)表面。为了验证铜箔表面结构在退火过程中的作用,作者选择了另一种商业多晶铜箔进行剪裁,并获得了非常相似的结果。这表明双晶界退火的关键因素是弯曲和压痕处理,而铜箔的初始结构不太重要。
图2:铜箔定制配置
类似地,通过改变实验参数(如曲率半径、压痕类型和深度、旋转角度),可以获得多种孪晶结构。例如,如果一个锯齿状铜箔沿与TD方向成45°的方向弯曲,则整个箔呈现出另一种孪晶结构(6 5 5)/(10 2 1),如图2c、f、i。图2j-l中的透射电子显微镜(TEM)证实了相干孪晶的性质。
03二维材料生长和表征
图3显示了在不同孪晶Cu表面上生长的实验观察和理论预测的hBN和石墨烯岛。图3a-b和e-f显示了在四个不同的孪晶Cu表面上完美对齐的hBN和石墨烯。作者观察到形成未对准的hBN和石墨烯的另外两种情况如图3c,g所示。图3d,h显示了在不同衬底上生长的hBN和石墨烯的错位角的理论预测和实验统计。结果表明,在测量误差范围内(±0.5度),所有岛的预测错位角与测量值惊人地一致。出色的一致性验证了用于确定任意表面上二维材料岛对齐的理论模型。
图3:不同孪晶铜表面上hBN和石墨烯岛的排列
孪晶铜基板上排列的畴最终聚结形成薄膜。为了证实这一点,作者进行了高分辨率TEM以在原子尺度上表征域的合并区域。图4a-c中合并区域的扫描TEM-环形暗场(STEM-ADF)图像和强度分布显示了单层hBN薄膜的均匀性,这也通过原子力显微镜(AFM)测量得到验证。如图4d所示,在两个对齐良好的hBN域的合并区域周围的不同位置收集六边形选区电子衍射(SAED)图案。二次谐波生成(SHG)映射清楚地表明平行的hBN域无缝拼接在一起。上述结果证实,排列良好的hBN畴可以无缝拼接成大的单晶hBN薄膜。
对于石墨烯,两个合并岛的D带拉曼图可用于进一步确认合并区域不存在缺陷。此外还进行了低能电子显微镜(LEEM)和微低能电子衍射(μLEED)测量。选定区域的μLEED图案证实石墨烯晶粒在图4f中的孪晶界两侧精确排列。此外,采用了最近提出的无缝聚结标准,作者进一步证实了对齐良好的石墨烯岛的无缝聚结,这些石墨烯岛在补充图11a中的铜孪晶边界的两侧成核。如图4g所示,对齐的石墨烯域无缝缝合在一起形成单晶膜(石墨烯生长过程,补充图12)。通过低能电子衍射(LEED)测试了随机选择的5 × 5 mm2区域的结晶度(补充图11d、e)。连续生长的石墨烯薄膜的拉曼光谱显示出高I2D/IG比和可忽略不计的D峰(补充图11c)。此外,制造了一系列具有10 μm宽通道和50 μm至2 mm通道长度的场效应晶体管(FET)器件,以评估电传输特性,如补充图13a、b所示。当石墨烯沟道长度变化两个数量级时(图4h),器件的载流子迁移率没有大的变化(补充图13c,d)。室温下平均电子和空穴迁移率分别为2.2 × 104 cm2/V/s和2.8 × 104 cm2/V/s,而多晶石墨烯FET的相应值仅为0.6 × 104 cm2/V/s和0.8 × 104 cm2/V/s。
图4:单晶hBN和石墨烯薄膜的表征
值得注意的是,孪晶结构在退火后高度稳定,并且在石墨烯/hBN生长过程中通常不会发生变化。补充图14中所示的石墨烯生长过程的原位SEM观察清楚地证实了这一点。此外,实验观察表明,与充分探索的正常晶界不同,Cu箔的孪晶界附近没有出现明显的凹槽,并且在孪晶界区域附近没有观察到增强的石墨烯成核(补充图15)。这可以通过孪晶边界的高稳定性和孪晶边界附近的封闭堆积原子排列来理解。
04结论
1)作者建立了一个几何模型来确定任意基板上二维材料岛的排列,并通过大量实验观察对其进行了验证。
2)基于作者简洁的模型,预测单晶二维材料可以在各种孪晶衬底上外延生长。
3)在实验上,作者成功地合成了许多不同的孪晶铜箔,并证明了单晶hBN和石墨烯薄膜在这些基板上的生长。
4)除了展示作者的理论模型外,本研究还提供了一种可行的方法来合成具有定制晶界的二维薄膜,以供未来应用。
文章信息: