在眾多石墨烯製備方法中，化學氣相沉積（CVD）方法非常有希望實現低成本、可控製備大麵積高質量石墨烯。精確控製石墨烯的成核位點對於大規模石墨烯器件的快速製造具有重要意義。然而，化學氣相沉積法生產的石墨烯的成核點受到甲烷濃度、銅基板表麵雜質、表麵結構和缺陷等多種因素的影響。近日，日本研究小組在《ACS NANO》雜誌上發表了一種通過在銅基板上下表麵添加催化活性鎳層，有效實現石墨烯成核精確控製的方法。
圖1.通過在銅基板兩側添加鎳和鉑來控製CVD石墨烯成核位點的過程示意圖。
如圖1 所示，Ago 等人。在銅箔下方放置一塊普通鎳箔，以減少銅箔背麵碳源的供給，從而抑製銅箔正麵雙層或少層石墨烯的生長；然後將一塊鎳箔放在銅箔上。采用一塊特定尺寸和圖案的鎳箔作為掩模層，使石墨烯隻能在鎳孔處成核，通過調節碳源（甲烷）的濃度可以實現石墨烯的快速生長。該方法簡單、經濟，可以精確控製石墨烯在銅上的成核位點。
另外，通過控製上述鎳箔的孔圖案，不僅可以限製石墨烯的成核，還可以直接製備出圖案化的石墨烯。延長石墨烯的生長時間或增加甲烷的濃度可以使製備的石墨烯晶粒生長到鎳掩模的邊界。這樣，依靠合適的鎳掩模就可以合成任意形狀的石墨烯圖案。
如圖2所示，在銅基板上成功製備了十字形石墨烯圖案，並在沒有任何光刻工藝的情況下組裝成場效應晶體管器件。該方法避免了之前報道的在銅基板上添加高濃度碳點誘發石墨烯成核以及後期掩模蝕刻和圖案化的過程，對於實現CVD石墨烯在電子器件中的應用有很大幫助。
圖2. 精確控製的圖案化石墨烯和場效應晶體管組裝的顯微照片