用高通量等离子体增强化学气相沉积法在无加热器和基底独立生长垂直站立石墨烯

原标题：用高通量等离子体增强化学气相沉积法在无加热器和基底独立生长垂直站立石墨烯

本文要点：

实验室构建的HPECVD系统在没有外部加热的情况下大面积制造VSG

1成果简介

垂直站立的石墨烯（VSG）膜由于其独特的形态，基面的优选取向以及作为有效催化位点的适当缺陷，在出色的电/热导率和电化学/催化性能的基础上已展示出多种吸引人的功能。VSG的大多数制造工艺都具有加工温度高，结构控制困难或可扩展性差的缺点，限制了其广泛的应用前景。郑州大学材料科学与工程学院邵国胜教授团队在《ADV MATER INTERFACES》期刊发表名为“Heater‐Free and Substrate‐Independent Growth of Vertically Standing Graphene Using A High‐Flux Plasma‐Enhanced Chemical Vapor Deposition”的论文，研究本文设计了一种可扩展的高通量等离子体增强化学气相沉积系统，该系统具有流线型磁场，可在空间扩展的等离子体通量上实现高且均匀的离子密度，从而有利于结构调整后的VSG的大面积沉积，而无需依赖于基材材料额外的加热。

可以通过调整等离子体环境来调整已制成的VSG的方向，密度和有序度，从而影响结晶机制。这种低温合成的VSG膜被证明是钠离子电池中的高性能阳极，在1 A g的电流密度下经过2000次循环后，可实现86％的高容量保持率-1。可以预期，当前的VSG膜在电化学应用中具有巨大的潜力，因为电化学应用需要催化位以及对离子和电子具有良好的导电性。

2图文导读

图1、a）HPECVD反应器的示意图，通过真空室两端的两个电磁线圈（M1和M2）通过线性排列的磁场增强和稳定了等离子体通量。

b）铜箔上VSG膜的光学图像。

c）使用高度取向的热解石墨（HOPG）作为参考，在（b）中五个指示位置收集的拉曼光谱。

d）在铜箔中心的G峰强度，2D峰强度，I D / I G比和I 2D / I G比的拉曼映射。直径为20毫米×20毫米。二维峰相对于石墨的红移是石墨烯的基本拉曼特征。

图2、在a）1分钟，b）2分钟，c）5分钟和d）10分钟时合成的VSG的SEM图像。e）使用高度取向的热解石墨（HOPG）作为参考，不同生长时间的拉曼光谱的演变。f）G峰位置和I D / I G比随生长时间的变化。VSG的低倍TEM和HRTEM图像，生长时间为g）2分钟和h）10分钟。

图2、a）使用实验室建造的HPECVD系统在铜箔基板上生长VSG膜的示意图。b）在不同阶段生长的VSG胶片的AFM图像。c）在相应的生长阶段，对VSG的G峰强度进行拉曼映射。

图4、在不同的RF等离子体功率下生长的VSG的SEM图像：在P 1（左侧）和P 0（a，e）600 W，b，f）800 W，c，g）1000 W，d，h）1200 W 右侧面板）。

图5、a，b）在P 0和P 1处具有不同RF等离子体功率的铜箔衬底上生长的VSG膜的拉曼光谱。c）从相应的拉曼光谱计算出的FWHM。

图6、a）Na半电池的示意图。

b）在0.1 A g -1的电流密度下，VSG的恒电流放电/充电曲线。

c） VSG在0.2 mV s -1下的循环伏安（CV）曲线。

d）VSG在0.1至2.5 A g -1的各种电流密度下的速率能力。

e）在1 A g -1的电流密度下，VSG的循环稳定性延长。

3小结

本文展示了一种高通量HPECVD系统，该系统可实现具有高离子密度的稳定等离子体，非常适合在低基板温度下大面积制造垂直站立的石墨烯而无需外部加热的情况。通过防止离子和电子结合的流线型磁场，在扩展的传播空间上产生高通量且均匀的等离子体。等离子体在扩展空间上的高离子密度和持续稳定性对于有效制造VSG膜而无需额外的基板加热至关重要。

独特的成核生长机制适用于当前HPECVD系统中高密度等离子体中VSG的低温沉积，其特征是石墨烯晶体在初始碳凝聚岛上的成核作用有限。这使得VSG的成核独立于衬底材料，因此铜和硅衬底均显示出相同的功能。

最终，以VSG作为负极材料组装了一个半钠离子电池，可逆容量大，倍率性能好，循环寿命长。事实证明，HPECVD技术可在低成本和大面积制造中提供强大的手段，而无需额外加热。还期望这种VSG材料被杂原子掺杂以锚定活性材料，这对于电催化和电化学应用非常有吸引力，其中良好的导电性和活性催化位点是必不可少的要求。

文献：

导师介绍：

邵国胜，郑州大学材料学特聘教授、博导；英国Surrey大学客座教授；国家低碳及环保材料智能设计国际联合研究中心主任；郑州新世纪材料基因组工程院院长。曾任英国萨利大学资深研究官，布鲁奈尔大学材料学副教授，英国博尔顿大学计算材料学教授、新能源研究所所长、工程院院长、理工及体育学部主任等，英国材料化学委员会委员、可持续能源材料工作组成员。邵教授在郑州大学创建了中英纳米多功能材料研究中心，并被认定为河南省低碳及环境材料国际联合实验室、国家级低碳及环保材料智能设计国际联合实验室，获得河南省政府黄河友谊奖。2016年于“中原智谷”创建郑州新世纪材料基因组工程研究院，被认定为河南省首批重大新型研发机构。在Nature等国际著名期刊发表论文200余篇，申请并获得国内外专利30余项。

来源：材料分析与应用