我国科学家提高石墨烯单晶的生长速度

在国家自然科学基金项目(项目编号：51522201，11327902)资助下，由俞大鹏院士领导的“纳米结构与低维物理”研究团队的刘开辉课题组在大单晶石墨烯的生长方面取得新的重要进展。研究成果于2016年11月7日以“Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continous oxygen supply(氧化物衬底辅助石墨烯单晶超快生长)”为题在Nature Nanotechnology发表。论文链接：http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n11/full/nnano.2016.132.html。

石墨烯作为一种典型的量子材料，不仅成为当今凝聚态物理领域的一个非常重要的研究方向，也同样引起国内外工业领域的高度重视。欧盟启动了石墨烯旗舰研究计划，美国、日本、韩国也都先后加大了石墨烯应用基础研究领域的投入力度。中国在各地石墨烯研究协会的基础上成立了石墨烯研究联盟。目前，全球与石墨烯材料和应用相关的各类公司有上万家。尽管石墨烯作为添加物在新能源、新材料等方面得以应用，但是在高端光电器件应用等方面依然进展不大，其核心瓶颈是难以获得大尺寸的石墨烯单晶。现有的大单晶石墨烯生长的方法生长速率普遍低于0.4 μm/s(微米/秒)，需要花费几天的时间来生长出一片晶元级的样品。

刘开辉课题组利用CVD(气相沉积法)在1000oC左右热解甲烷气体，把多晶铜衬底上石墨烯单晶的生长速度提高了150倍，达到60μm/s。这项重要突破的核心是把多晶铜片放置于氧化物衬底上(两者之间的间隙约为15μm)。理论模拟计算证明，氧化物衬底能够为铜片表面提供连续的活性氧，显著地使甲烷分解势垒从1.57eV(电子伏特)降低到0.62eV，从而能够高效催化铜表面上的反应，提高石墨烯的生长速度。利用这种技术，他们能够在5秒钟内生长出300μm的石墨烯大单晶。该研究结果对于可控、高速生长出大单晶石墨烯提供了必要的科学依据，具有非常重要的科学意义和技术价值。

左图：氧化物衬底辅助石墨烯单晶超快生长的设计及实验结果(石墨烯单晶的生长速度为60 μm/s);右图：与已有的石墨烯生长速度相比，该研究工作把石墨烯单晶的生长速度提高了150倍。