石墨烯切割纳米

“吃豆人”模型：金属纳米粒子切割石墨烯的机理解释

在二维材料的许多应用中，需要先将它们切割成特定的形状。例如在某些电子应用中需要将石墨烯切割成纳米带来利用其产生的带隙或边缘态，虽然石墨烯可以在强氧化或高能等离子环境进行切割，但是为了获得平滑的边缘，研究者们希望切割能在更加温和的环境进行。...

在二维材料的许多应用中，需要先将它们切割成特定的形状。例如在某些电子应用中需要将石墨烯切割成纳米带来利用其产生的带隙或边缘态，虽然石墨烯可以在强氧化或高能等离子环境进行切割，但是为了获得平滑的边缘，研究者们希望切割能在更加温和的环境进行，因此，采用金属纳米粒子作为催化剂，在H2/Ar气氛中进行切割的方式应运而生。为了更好地控制切割过程，就需要对其中潜在的微观机理有更深入的了解。之前在强氧化环境下石墨烯切割的研究中发现“拉链”机理被人们所广为接受，其主要依赖于单个切割原子作为尖兵来破坏石墨烯中的C-C键，且与纳米粒子的尺寸无关。显然，这种基于单原子的“拉链”机理无法解释实验中观察到的切割行为以及石墨烯边缘形貌上纳米尺寸效应，一个最有趣的例子就是石墨烯的整体蚀刻速率与金属纳米粒子半径的平方成正比。因此，金属纳米粒子催化石墨烯切割应该存在新的机理。

图1金属纳米粒子催化石墨烯切割的“吃豆人”机理示意图

近日，中科大合肥微物质研究所的李震宇教授等人采用多尺度模拟的方法，发现金属纳米粒子与石墨烯接触时，石墨烯边缘的C-C键会被弱化乃至切断，形成的悬挂碳原子被多个金属Ni原子包围，悬挂键断裂后碳原子被吞入金属纳米粒子内部，最后扩散到金属纳米粒子表面，与分解的氢原子形成碳氢化合物分子后进入气相。这一过程类似于吃豆人游戏中吃豆的过程。在这种“吃豆人”机理中，相比摇椅型和扭折型边缘，致密的锯齿型石墨烯边缘的C-C键最难被破坏，然而一旦一条完整的锯齿型碳链中有一个C-C键被破坏，那么其所在位置就形成一个开放环境，周围的碳原子会更容易被蚀刻掉，形成多米诺骨牌效应，以第一个断裂的C-C键为始，将触发整个完整的锯齿型边缘碳链的蚀刻，从而使石墨烯与金属纳米粒子接触界面向前推进。