我國科學(xué)家提高石墨烯單晶的生長速度

在國家自然科學(xué)基金項目(項目編號：51522201，11327902)資助下，由俞大鵬院士領(lǐng)導(dǎo)的“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團(tuán)隊的劉開輝課題組在大單晶石墨烯的生長方面取得新的重要進(jìn)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(氧化物襯底輔助石墨烯單晶超快生長)”為題在Nature Nanotechnology發(fā)表。論文鏈接：http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n11/full/nnano.2016.132.html。

石墨烯作為一種典型的量子材料，不僅成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個非常重要的研究方向，也同樣引起國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域的高度重視。歐盟啟動了石墨烯旗艦研究計劃，美國、日本、韓國也都先后加大了石墨烯應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的投入力度。中國在各地石墨烯研究協(xié)會的基礎(chǔ)上成立了石墨烯研究聯(lián)盟。目前，全球與石墨烯材料和應(yīng)用相關(guān)的各類公司有上萬家。盡管石墨烯作為添加物在新能源、新材料等方面得以應(yīng)用，但是在高端光電器件應(yīng)用等方面依然進(jìn)展不大，其核心瓶頸是難以獲得大尺寸的石墨烯單晶?，F(xiàn)有的大單晶石墨烯生長的方法生長速率普遍低于0.4 μm/s(微米/秒)，需要花費(fèi)幾天的時間來生長出一片晶元級的樣品。

劉開輝課題組利用CVD(氣相沉積法)在1000oC左右熱解甲烷氣體，把多晶銅襯底上石墨烯單晶的生長速度提高了150倍，達(dá)到60μm/s。這項重要突破的核心是把多晶銅片放置于氧化物襯底上(兩者之間的間隙約為15μm)。理論模擬計算證明，氧化物襯底能夠為銅片表面提供連續(xù)的活性氧，顯著地使甲烷分解勢壘從1.57eV(電子伏特)降低到0.62eV，從而能夠高效催化銅表面上的反應(yīng)，提高石墨烯的生長速度。利用這種技術(shù)，他們能夠在5秒鐘內(nèi)生長出300μm的石墨烯大單晶。該研究結(jié)果對于可控、高速生長出大單晶石墨烯提供了必要的科學(xué)依據(jù)，具有非常重要的科學(xué)意義和技術(shù)價值。

左圖：氧化物襯底輔助石墨烯單晶超快生長的設(shè)計及實驗結(jié)果(石墨烯單晶的生長速度為60 μm/s);右圖：與已有的石墨烯生長速度相比，該研究工作把石墨烯單晶的生長速度提高了150倍。