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- 发布时间2017-11-24 18:46
- 发布人 集团
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石墨烯是典型的二维轻元素量子材料体系，具有优越的量子特性。科学界在石墨烯体系中观察到了许多量子现象和量子效应，石墨烯已经成为凝聚态物理研究领域的重要量子体系，在未来量子信息、量子计算和量子通讯等领域具有广泛的应用前景。如何获得大尺寸单晶石墨烯是石墨烯研究领域的热点和难点，是实现石墨烯工业化应用的基础。虽然利用化学气相沉积方法（CVD）方法已经实现了米级多晶石墨烯薄膜的制备，但是米级单晶石墨烯薄膜技术还未被突破。
最近，在量子调控与量子信息重点专项项目的支持下，北京大学刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士及其合作者，继2016年首次实现石墨烯单晶的超快生长之后，在米级单晶石墨烯的生长方面再次取得重要进展。研究团队将工业多晶铜箔转化成了单晶铜箔，得到了世界上目前最大尺寸的单晶Cu（111）箔，利用外延生长技术和超快生长技术成功在20分钟内制备出世界最大尺寸（5×50 cm2）的外延单晶石墨烯材料。该研究结果为快速生长米级单晶石墨烯提供了必要的科学依据，为石墨烯单晶量子科技的产业化应用奠定基础。
该研究成果于2017年8月在《科学通报》（Science Bulletin）发表，并被选为封面文章。中国科学院沈阳金属研究所成会明院士同期在Science Bulletin发表重点推荐评论文章。
由于其超强的导电性、强度和柔韧性，石墨烯被认为是硅和其他材料最有可能的替代品之一。然而，它还没有实现工业化的产生和应用。目前只能以数毫米至数厘米的尺寸生产高品质的单晶石墨烯。
使用新技术，科学家在箔的锥形端获得单晶铜Cu（111）晶核，其在数分钟（b）中逐渐扩展到整个铜箔。 该单晶铜箔用作基板以在其表面上生长石墨烯。 石墨烯结晶的过程开始于石墨烯晶体的小六角岛，其长大以覆盖整个表面（c，从左到右）。
近日，韩国基础科学研究院的丁峰教授和Rodney Ruoff教授与北京大学刘开辉教授合作，报道了大尺寸单层单晶石墨烯的合成的最新研究成果。这项最新技术实现了石墨烯的飞跃！可以在仅仅20分钟内制造几乎完美（> 99.9％对齐）的5×50cm2的单晶石墨烯薄膜。此外，与其它商业化生产的低品质多晶石墨烯薄膜相比，该技术的低生产成本可以扩大其应用。该研究成果发表在了近期的《Science Bulletin》杂志上。该技术有望大大促进石墨烯柔性薄膜相关的应用。
单晶石墨烯是由碳原子构成的蜂窝状单层，整个材料性质均匀一致。但是多晶石墨烯由随机取向的石墨烯岛形成，降低了其质量。目前，科学家们能够生长米尺寸的多晶石墨烯和较小的单晶石墨烯，范围从毫米到厘米级。以低成本合成大型单晶石墨烯是石墨烯合成的关键问题。在本研究中，石墨烯生长在5×50cm2铜箔的表面上，其通过加热至1,030°而转变成单晶铜箔。从热到冷的温度斜率将所谓的晶界向下移动，形成完美的单晶。在加热和冷却处理中，铜原子在材料内迁移，排列成具有较少缺陷的有序结构。“获得大尺寸单晶石墨烯的秘诀是以完美的单晶铜为起点，大型单晶铜箔不是商业上可行的，所以实验室必须用自己的方法”多维碳材料中心负责人丁峰教授解释说。
为了优化技术，该团队必须考虑四个技术挑战：
（i）在非常大的区域制备单晶铜箔；
（ii）在其成核和生长后获得石墨烯岛的取向高度一致 ；
（iii）通过进一步生长将石墨烯岛无缝拼接成单晶，；
（iv）单晶石墨烯的快速生长。
虽然之前的相关研究已经解决了上述一些挑战，但是这项研究克服了所有这些挑战，并且使得尺寸单晶石墨烯的合成成为可能。 不对称石墨烯岛的比例小于0.1％，相当于微不足道的产品缺陷和晶界。
生长石墨烯的铜箔与IPHONE的尺寸对比
目前的结果单晶石墨烯的制备仅受铜箔的尺寸限制，原则上铜箔和石墨烯薄膜的尺寸都可以是无限的。此外，考虑到石墨烯合成（20分钟）非常短的时间和相对低成本的实验装置，单晶（或近似单晶）石墨烯的价格可能接近当前多晶石墨烯薄膜的价格。丁峰教授说：“许多科学家的梦想就是取代硅。”“现在，我们正在探索哪一种是最好的材料，以及如何使用铜作为其他有趣的2-D材料的基材。”
论文信息：
Ultrafast epitaxial growth of metre-sized single-crystal graphene on industrial Cu foil
https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.07.005
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