本文要點：
實驗室構建的HPECVD系統在沒有外部加熱的情況下大面積製造VSG
1成果簡介
垂直站立的石墨烯（VSG）膜由於其獨特的形態，基面的優選取向以及作為有效催化位點的適當缺陷，在出色的電/熱導率和電化學/催化性能的基礎上已展示出多種吸引人的功能。VSG的大多數製造工藝都具有加工溫度高，結構控制困難或可擴展性差的缺點，限制了其廣泛的應用前景。鄭州大學材料科學與工程學院邵國勝教授團隊在《ADV MATER INTERFACES》期刊發表名為「Heater‐Free and Substrate‐Independent Growth of Vertically Standing Graphene Using A High‐Flux Plasma‐Enhanced Chemical Vapor Deposition」的論文，研究本文設計了一種可擴展的高通量等離子體增強化學氣相沉積系統，該系統具有流線型磁場，可在空間擴展的等離子體通量上實現高且均勻的離子密度，從而有利於結構調整後的VSG的大面積沉積，而無需依賴於基材材料額外的加熱。
可以通過調整等離子體環境來調整已製成的VSG的方向，密度和有序度，從而影響結晶機制。這種低溫合成的VSG膜被證明是鈉離子電池中的高性能陽極，在1 A g的電流密度下經過2000次循環後，可實現86％的高容量保持率-1。可以預期，當前的VSG膜在電化學應用中具有巨大的潛力，因為電化學應用需要催化位以及對離子和電子具有良好的導電性。
2圖文導讀
圖1、a）HPECVD反應器的示意圖，通過真空室兩端的兩個電磁線圈（M1和M2）通過線性排列的磁場增強和穩定了等離子體通量。
b）銅箔上VSG膜的光學圖像。
c）使用高度取向的熱解石墨（HOPG）作為參考，在（b）中五個指示位置收集的拉曼光譜。
d）在銅箔中心的G峰強度，2D峰強度，I D / I G比和I 2D / I G比的拉曼映射。直徑為20毫米×20毫米。二維峰相對於石墨的紅移是石墨烯的基本拉曼特徵。
圖2、在a）1分鐘，b）2分鐘，c）5分鐘和d）10分鐘時合成的VSG的SEM圖像。e）使用高度取向的熱解石墨（HOPG）作為參考，不同生長時間的拉曼光譜的演變。f）G峰位置和I D / I G比隨生長時間的變化。VSG的低倍TEM和HRTEM圖像，生長時間為g）2分鐘和h）10分鐘。
圖2、a）使用實驗室建造的HPECVD系統在銅箔基板上生長VSG膜的示意圖。b）在不同階段生長的VSG膠片的AFM圖像。c）在相應的生長階段，對VSG的G峰強度進行拉曼映射。
圖4、在不同的RF等離子體功率下生長的VSG的SEM圖像：在P 1（左側）和P 0（a，e）600 W，b，f）800 W，c，g）1000 W，d，h）1200 W 右側面板）。
圖5、a，b）在P 0和P 1處具有不同RF等離子體功率的銅箔襯底上生長的VSG膜的拉曼光譜。c）從相應的拉曼光譜計算出的FWHM。
圖6、a）Na半電池的示意圖。
b）在0.1 A g -1的電流密度下，VSG的恆電流放電/充電曲線。
c） VSG在0.2 mV s -1下的循環伏安（CV）曲線。
d）VSG在0.1至2.5 A g -1的各種電流密度下的速率能力。
e）在1 A g -1的電流密度下，VSG的循環穩定性延長。
3小結
本文展示了一種高通量HPECVD系統，該系統可實現具有高離子密度的穩定等離子體，非常適合在低基板溫度下大面積製造垂直站立的石墨烯而無需外部加熱的情況。通過防止離子和電子結合的流線型磁場，在擴展的傳播空間上產生高通量且均勻的等離子體。等離子體在擴展空間上的高離子密度和持續穩定性對於有效製造VSG膜而無需額外的基板加熱至關重要。
獨特的成核生長機制適用於當前HPECVD系統中高密度等離子體中VSG的低溫沉積，其特徵是石墨烯晶體在初始碳凝聚島上的成核作用有限。這使得VSG的成核獨立於襯底材料，因此銅和矽襯底均顯示出相同的功能。
最終，以VSG作為負極材料組裝了一個半鈉離子電池，可逆容量大，倍率性能好，循環壽命長。事實證明，HPECVD技術可在低成本和大面積製造中提供強大的手段，而無需額外加熱。還期望這種VSG材料被雜原子摻雜以錨定活性材料，這對於電催化和電化學應用非常有吸引力，其中良好的導電性和活性催化位點是必不可少的要求。
文獻：
導師介紹：
邵國勝，鄭州大學材料學特聘教授、博導；英國Surrey大學客座教授；國家低碳及環保材料智能設計國際聯合研究中心主任；鄭州新世紀材料基因組工程院院長。曾任英國薩利大學資深研究官，布魯奈爾大學材料學副教授，英國博爾頓大學計算材料學教授、新能源研究所所長、工程院院長、理工及體育學部主任等，英國材料化學委員會委員、可持續能源材料工作組成員。邵教授在鄭州大學創建了中英納米多功能材料研究中心，並被認定為河南省低碳及環境材料國際聯合實驗室、國家級低碳及環保材料智能設計國際聯合實驗室，獲得河南省政府黃河友誼獎。2016年於「中原智谷」創建鄭州新世紀材料基因組工程研究院，被認定為河南省首批重大新型研發機構。在Nature等國際著名期刊發表論文200餘篇，申請並獲得國內外專利30餘項。
來源：材料分析與應用