《Diamond and Related Materials》：Growth of millimeter-long chain-like graphene spiral bands on polycrystalline Pt by methane CVD
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摘要
石墨烯螺旋是一种独特的碳结构，具有螺旋堆叠的特性，但其可控生长仍然具有挑战性。在本研究中，我们报告了在1150℃下使用甲烷化学气相沉积（CVD）技术，在多晶铂（Pt）表面上生长出毫米长度的链状石墨烯螺旋带。扫描电子显微镜（SEM）显示，这些石墨烯螺旋以链状结构连续排列，
摘要
石墨烯螺旋是一种独特的碳结构，具有螺旋堆叠的特性，但其可控生长仍然具有挑战性。在本研究中，我们报告了在1150℃下使用甲烷化学气相沉积（CVD）技术，在多晶铂（Pt）表面上生长出毫米长度的链状石墨烯螺旋带。扫描电子显微镜（SEM）显示，这些石墨烯螺旋以链状结构连续排列，延伸数毫米，而非孤立存在。透射电子 microscopy（TEM）、X射线衍射（SAED）和拉曼光谱（Raman）进一步确认了这些螺旋带的石墨烯性质和晶体结构，而X射线衍射还检测到生长后的基底中存在Pt?Si。为了评估和优化这种链状螺旋带的生长，我们研究了生长温度、基底位置、冷却速率以及早期冷却过程中的气体气氛对生长结果的影响。研究结果表明，石墨烯覆盖率、螺旋带的形成以及带宽明显受到生长和冷却参数的影响，尤其是局部热环境及早期冷却气体条件的作用。这些结果为在多晶Pt表面上生长毫米长度的链状石墨烯螺旋带提供了一种甲烷-CVD方法，并为优化其生长条件提供了实验依据。
引言
螺旋石墨烯是一种特殊的多层石墨烯结构，其中相邻层通过螺旋步骤连续连接，而不仅仅是简单地作为独立层堆叠在一起。这种结构特性使其成为研究层间相互作用、螺旋位错介导的生长过程及相关电子性质的良好平台 [1],[2],[3]。然而，石墨烯螺旋的可控合成仍然具有挑战性。
长期以来，在石墨中观察到了螺旋生长现象，其中台阶高度通常与石墨的尺度相当 [4],[5],[6],[7]。单层和双层石墨烯螺旋最早是通过原子力显微镜（AFM）在天然石墨中检测到的 [8]。后续研究报道了在外延石墨烯生长或界面成核过程中出现的纳米到微米尺度的石墨烯螺旋，但这些结构受到尺寸限制或难以控制 [9],[10]。通过铜（Cu）表面的CVD生长，人们实现了单原子层台阶的少层石墨烯螺旋 [11]。最近的研究表明，通过电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）生长的纳米晶石墨烯螺旋能够提供螺旋驱动的垂直导电路径 [1]。还有研究使用C?H?在1400–1600℃下在Pt基底上生长出链状石墨烯螺旋带 [12]，该研究主要关注石墨烯螺旋的结构演变，包括褶皱形成、折叠、开裂以及手性向扭曲的转变。
这些研究表明，基底、碳源以及高温下的界面环境对石墨烯螺旋的生长有显著影响。由于其高熔点、催化活性以及碳的溶解和沉淀行为，Pt特别适合作为石墨烯生长的基底 [13],[14],[15],[16],[17]。同时，硅化Pt也被用于快速合成石墨烯 [19] 和片状Bernal（AB）堆叠双层石墨烯 [20]。先前的研究表明，Pt可以作为碳的储存库，而液态Pt?Si界面可以促进碳的输运并提供高度活跃的界面环境 [19],[20]。这些发现表明硅化Pt为石墨烯生长提供了特殊的条件；然而，它在石墨烯螺旋形成中的作用尚不明确。
在本研究中，我们报告了在1150℃下使用甲烷-CVD技术在多晶Pt表面上生长出毫米长度的链状石墨烯螺旋带。与之前使用C?H?在1400–1600℃下进行的Pt基底相关研究 [12] 不同，本研究重点是在相对较低的甲烷-CVD条件下实现这种扩展的链状螺旋带，并探讨了它们对生长参数的依赖性。对生长后Pt基底的XRD分析证实了其中存在Pt?Si。我们研究了生长温度、基底位置、冷却速率以及早期冷却过程中的气体气氛对石墨烯形态和螺旋带发展的影响。研究结果揭示了石墨烯覆盖率、螺旋带形成及带宽与生长和冷却条件之间的明确依赖关系，为优化扩展石墨烯螺旋带的生长提供了实验依据。
章节片段
实验
用于石墨烯螺旋生长的CVD系统、温度和气体流动程序分别如图S1和S2所示。厚度为0.127毫米的多晶Pt箔（纯度99.99%，Alfa Aesar）被放置在管式炉内石英管的内层耐火坩埚中。为了研究基底位置的影响，样品被放置在加热区中心的不同距离处。生长过程包括加热、退火、生长、控制冷却和最终冷却步骤。
毫米长度石墨烯螺旋带的形态与鉴定
在1150℃下，使用甲烷通过CVD技术在多晶Pt表面上成功生长出了毫米长度的链状石墨烯螺旋带。如图1a所示，生长的石墨烯形成了延伸至毫米级别的连续区域，而非孤立的石墨烯岛屿。放大的SEM图像显示，这些延伸区域由许多具有明显螺旋形态的相邻单元组成（见图1c–f）。链状分布的长期连续性进一步得到了证实。
结论与展望
总之，在1150℃下使用CH?通过CVD技术在多晶Pt表面上合成了毫米长度的链状石墨烯螺旋带。SEM观察证实了这些螺旋带在毫米尺度上的连续链状排列，而TEM、SAED和Raman光谱进一步确认了它们的石墨烯性质和晶体结构。XRD分析确认了生长后的Pt箔中存在Pt?Si。在不同生长温度和基底条件下进行的实验表明...
CRediT作者贡献声明
马平平：撰写 – 原始草稿、数据可视化、方法论设计、实验设计、数据分析。周浩磊：资源获取、方法论设计、实验指导。朱伟：撰写 – 文章审核与编辑、研究监督、资金申请。赵嘉欣：撰写 – 文章审核与编辑。王冠中：撰写 – 文章审核与编辑、研究监督、项目管理工作、资金申请。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益和个人关系，这些可能会被视为潜在的利益冲突：
王冠中和马平平拥有中国科学技术大学颁发的专利#ZL 202311375011.3。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：11374280和50772110）以及量子科技创新计划（项目编号：2024ZD0301201）的支持。
马平平|周浩磊|朱伟|赵嘉欣|王冠中
