石墨烯具有一系列獨特的物理性質(zhì)，可應用于各種電子、光子和光伏器件等領(lǐng)域。然而對于大多數(shù)應用來說，都需要大面積高質(zhì)量的石墨烯薄膜。近年來，出于簡單性和成本效益，眾多科研者們利用化學氣相沉積（CVD）在銅表面上合成石墨烯。然而，該方法合成石墨烯的生長速率小于0.4 μm s–1，大型單晶石墨烯的合成至少需要幾個小時。

    最近，北京大學的劉開輝研究員（通訊作者）、彭海琳教授（通訊作者），香港理工大學的丁峰副教授（通訊作者）等人利用連續(xù)供氧輔助化學氣相沉積法在銅箔上合成單晶石墨烯，將石墨烯的生長速率提高到了60μm s–1。研究者們將銅箔置于平整的氧化物基板上，銅箔與氧化物基板之間的間隙約為15 μm。在化學氣相沉積生長過程中，氧化物基板為銅催化劑表面提供了連續(xù)的氧供應，這顯著降低了碳原料分解的能量勢壘，提高了生長速率。通過這種方法，研究者們能夠在短短的5秒內(nèi)實現(xiàn)橫向尺寸為0.3毫米單晶石墨烯域的生長。

    【圖文導讀】

    圖1 連續(xù)供氧輔助石墨烯在銅箔上生長

    （a）實驗設計示意圖（AXOY表示氧化物）。

    （b）a圖的側(cè)視圖。

    （c）SiO2/Si基板（SiO2的厚度約為5 nm）在退火前、在1000℃超高真空中退火后以及在1000℃化學氣相沉積系統(tǒng)中退火后的俄歇電子能譜。退火后，氧元素峰的消失證明了高溫下氧化物中氧的逸出。

    （d）銅箔（使用熔融石英為支撐基板）背表面上的石墨烯域的光學圖像。

    （e）銅箔（使用熔融石英為支撐基板）前表面上的石墨烯域的光學圖像。

    （f）銅箔（使用Al2O3為支撐基板）背表面上的石墨烯域的光學圖像。

    （g）銅箔（使用石墨為支撐基板）背表面上的石墨烯域的光學圖像。非氧化物的石墨在生長過程中不能釋放氧，石墨烯域小到15μm。生長后，將銅箔在200℃空氣中進行5分鐘的后處理，達到石墨烯域的光學可視化。

    圖2 石墨烯域的單晶驗證和質(zhì)量表征
 

    （a）TEM網(wǎng)格上轉(zhuǎn)移的石墨烯域的掃描電鏡圖像。

    （b-d） a圖中各區(qū)域的選區(qū)電子衍射圖： （b） T1，（c） T2，（d） T3。

    （e-h） 石墨烯域各區(qū)域的低能電子衍射圖：（e） L1，（f） L2，（g） L3，（h） L4。在選區(qū)電子衍射圖和低能電子衍射圖中有著幾乎相同的晶體取向，這說明了單個石墨烯具有單晶結(jié)構(gòu)。

    （i-k） 銅箔上石墨烯域在不同區(qū)域處的代表性原子分辨率掃描隧道顯微鏡圖像。插圖為快速傅里葉變換圖。

    （l）  銅箔前背面上石墨烯的拉曼光譜。原子分辨率掃描隧道顯微鏡圖像中無原子缺陷及拉曼光譜中未檢出D峰說明了生長的石墨烯具有高質(zhì)量。

    圖3 石墨烯域生長的時間演化
 

    （a-c）不同時間下合成的石墨烯的光學圖像：（a） t=0s，（b） 2s，（c） 5s。t=0s時，石墨烯域足夠大，在光學顯微鏡下清晰可見。

    （d）石墨烯域的尺寸與生長時間的擬合函數(shù)曲線。斜率表示超快生長速率約為60μm s–1。

    （e）石墨烯域的覆蓋率與生長時間的擬合函數(shù)曲線。生長時間和覆蓋率近似二次函數(shù)關(guān)系，這說明在生長過程中沒有新的成核中心形式。誤差線代表20個測量樣品的標準誤差。

    圖4 氧輔助石墨烯快速生長的理論機理探討

    （a-f）在不同碳通量下通過PFT模擬后所得的石墨烯域及碳前驅(qū)體濃度的對應分布：（a-c）石墨烯域，（d-f）碳前軀體濃度映射。碳通量F分別為：（a，d）0.001，（b，e）0.1， （c，f） 4。

    （g）d，f圖中沿著所示直線上的碳前驅(qū)體濃度。C表示碳前驅(qū)體的單層單位濃度（ML）。沿著直線位置的單胞尺寸，a。

    （h）耗盡區(qū)的寬度（單胞長度，a）與碳通量的關(guān)系。

    （i）當石墨烯域的覆蓋率為1/4時所需要的生長時間。T表示在單位通量下，累積通量到一個單層所需要的時間。

    （j）銅（100）表面上（不含有氧原子）的分解反應：CH4→ CH3 + H。

    （l）銅（100）表面上（含有氧原子）的分解反應：CH4 + O → CH3 + OH。白色，紅色，黑色和綠色的球體分別代表H，O，C和Cu原子。

    （k）含氧和不含氧時CH4分解的能量壁壘分別為0.62 和1.57 eV。

    【總結(jié)】

    研究者們通過連續(xù)供氧輔助化學氣相沉積的方法實現(xiàn)了大型單晶石墨烯的超快生長。他們在短短的5s內(nèi)合成了0.3毫米的石墨烯域，生長速率達到60μm s–1，比以往所報道的在銅箔上生長石墨烯的方法要快兩個數(shù)量級以上。氧化物基板上釋放的氧的連續(xù)供應和銅與氧化物之間的密閉間隙驅(qū)動著石墨烯超快生長。該研究結(jié)果為在極短時間內(nèi)合成大型單晶石墨烯薄片提供了一個新的方向，這對大型石墨烯的工業(yè)應用來說很重要。

    劉開輝研究員簡介：

    2009年在中國科學院物理研究所獲博士學位；2009年至2014年在美國加州大學伯克利分校物理系從事博士后研究工作。現(xiàn)任北京大學物理學院研究員、博士生導師，2013年中組部青年千人計劃入選者。主要研究方向是：低維納米材料結(jié)構(gòu)與物理。主要研究手段是：發(fā)展單個納米材料單元水平的透射電鏡原位測量技術(shù)、超高靈敏度超快納米光學技術(shù)，以研究單個納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的直接對應關(guān)系，從而揭露低維凝聚態(tài)物理中的新穎規(guī)律。目前劉博士把該技術(shù)成功應用到一維模型體系的碳納米管、二維模型體系的原子層MoS2，取得了一些具有影響的科研成果。劉博士發(fā)表SCI論文20余篇，其中包括第一作者或者通訊作者的Nature Nanotechnology（2篇）， Nature Physics, Nature Communications（2篇）， PNAS, JACS, Nano Letters, PRB, APL。（通訊作者信息來源于北京大學納米研究中心官方網(wǎng)站）

    彭海琳教授簡介：

    2005年在北京大學獲博士學位；2005年至2009年在美國斯坦福大學材料科學與工程系從事博士后研究工作。現(xiàn)任北京大學化學與分子工程學院教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。一直從事納米材料化學與納米器件研究，當前研究興趣包括石墨烯與拓撲絕緣體納米結(jié)構(gòu)等二維晶體材料的制備方法、化學調(diào)制與光電器件應用基礎研究。已發(fā)表SCI收錄論文100余篇，影響因子超過7的論文70余篇。論文被他引逾6600次，單篇最高他引2500余次；申請專利10項。（通訊作者信息來源于北京大學化學與分子工程學院官方網(wǎng)站）

    丁峰副教授簡介：

    2002年在南京大學獲博士學位；2003年至2005年在瑞典哥德堡大學和查爾姆斯理工大學從事博士后研究工作。現(xiàn)任香港理工大學紡織及制衣學系副教授。在納米科技領(lǐng)域有著10年的研究經(jīng)驗，研究方向為多功能納米材料在紡織中的應用和基于多尺度方法的碳基納米材料的力學、化學、電子和磁學性質(zhì)的研究。至今已在PNAS、Phys. Rev. Lett、Nano Lett、JACS等國際期刊發(fā)表發(fā)表論文50余篇，被引用超過600次（h-index =15）。（通訊作者信息來源于香港理工大學紡織及制衣學系官方網(wǎng)站）

    文獻鏈接： Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuous oxygen supply（Nature Nanotechnology, 2016, doi:10.1038/nnano.2016.132）

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責任編輯：龐雪潔

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