化学气相沉积生长石墨烯的表面界面相互作用及其原位同步辐射X射线衍射研究

The study on the surface and interface characteristics of graphene with different substrates and the impacts on the heterostructure have become one of the frontier scientific research areas. Synchrotron Radiation in situ techniques have unique advantage in this field. Based on Synchrotron Radiation X-ray diffraction techniques, in this project, we intend to in-situ explore the surface and interface structure evolution of graphene. The main contents are as follows: (1) we are planning to build an in-situ chemical vapor deposition chamber and platform at beamline BL14B1 of Shanghai Synchrotron Radiation Facility;（2）Basing on the in-situ chemical vapor deposition platform, we will develop the two-dimensional grazing-incidence X-ray diffraction technique. Focusing on the in-situ graphene deposition on polycrystalline metal substrates (Ni, Cu), we will study the interlayer interaction of graphene, instantaneous microstructure evolution and the graphene-substrate interaction; (3) The development of Synchrotron Radiation surface diffraction techniques with high space resolution (0.1nm). We will study the surface and interface structure of graphene on single crystal substrates (Si, BN), to explore the in-plane structure evolution and interface interaction. Through this project, we will provide a frontier in-situ Synchrotron Radiation chemical vapor deposition growth platform and x-ray surface diffraction techniques for domestic and international researchers.

石墨烯与衬底之间的表面界面特性研究及其对异质结构的影响是当前科学研究的前沿热门领域之一，而同步辐射原位技术在此领域的研究中具有先天的优势。基于同步辐射X射线衍射技术，本项目拟探索不同衬底生长石墨烯的表面界面特性及多维度原位实时结构演化。主要内容如下：(1)搭建完备的石墨烯原位化学气相沉积研究平台，满足不同条件及衬底上石墨烯的原位生长实时观测等研究需求;(2)基于自主搭建的原位研究装置，发展秒级时间分辨的掠入射二维衍射技术，进行多晶金属衬底(镍、铜等)上生长石墨烯的原位观测与调控，研究石墨烯层间相互作用、微结构瞬时演变及与衬底的相互作用；(3)发展埃尺度空间分辨的同步辐射表面衍射技术，研究单晶衬底（硅、BN）上单层或少层石墨烯生长过程中微结构演变，探索石墨烯与单晶衬底的表面界面相互作用及对异质结构的影响。项目的实施期望推动石墨烯表面界面特性的深入研究和同步辐射关联技术的应用发展。

石墨烯与衬底之间的表面界面特性研究及其对异质结构的影响是当前科学研究的前沿热门领域之一。基于同步辐射X射线衍射技术，在本项目中，搭建了石墨烯原位化学气相沉积研究平台，实现了秒级时间分辨的掠入射二维衍射技术,满足不同条件及衬底上石墨烯的原位生长实时观测等研究需求；通过本项目，已经在上海光源BL14B衍射线搭建了CVD石墨烯原位测试环境，可以为国内外科研工作者提供相关实验条件。..基于自主搭建的原位研究装置，主要做了以下工作：（1）进行多晶金属上生长石墨烯的原位观测与调控，通过观察石墨烯面间距随着生长和后处理过程的变化，发现石墨烯在高温氢气热处理过程中，面间距会发生膨胀，但是在氮气，氩气等气体的高温热处理过程中，石墨烯的面间距保持不变，表明氢原子可以进入到石墨烯的层间，从而导致石墨烯晶格膨胀；（2）首次实现了硅基石墨烯的高温化学气相沉积生长，仅通过改变温度，即可实现石墨烯成核生长的控制，研究了硅表面直接生长石墨烯的形貌和结构演化，唯相的提出了石墨烯的成核生长模型，为后续在单晶硅衬底上实现大面积、层数可控、高质量石墨烯结构的可控合成提供了思路；（3）合成了新型石墨烯复合多孔碳材料，研究表明复合碳材料不仅具有石墨烯出众的电学和机械特性，而且具有多孔碳材料丰富的孔结构，兼具低密度和高导电性，系统的研究了其作为锂离子电池电极相关材料的充放电机理，展示了新型石墨烯复合多孔碳材料的优异性能及广泛的实际应用潜力。