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- 發(fā)布時(shí)間2017-11-24 18:46
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石墨烯是典型的二維輕元素量子材料體系，具有優(yōu)越的量子特性?？茖W(xué)界在石墨烯體系中觀察到了許多量子現(xiàn)象和量子效應(yīng)，石墨烯已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的重要量子體系，在未來量子信息、量子計(jì)算和量子通訊等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。如何獲得大尺寸單晶石墨烯是石墨烯研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)石墨烯工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。雖然利用化學(xué)氣相沉積方法（CVD）方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了米級(jí)多晶石墨烯薄膜的制備，但是米級(jí)單晶石墨烯薄膜技術(shù)還未被突破。
最近，在量子調(diào)控與量子信息重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目的支持下，北京大學(xué)劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士及其合作者，繼2016年首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶的超快生長(zhǎng)之后，在米級(jí)單晶石墨烯的生長(zhǎng)方面再次取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)將工業(yè)多晶銅箔轉(zhuǎn)化成了單晶銅箔，得到了世界上目前最大尺寸的單晶Cu（111）箔，利用外延生長(zhǎng)技術(shù)和超快生長(zhǎng)技術(shù)成功在20分鐘內(nèi)制備出世界最大尺寸（5×50 cm2）的外延單晶石墨烯材料。該研究結(jié)果為快速生長(zhǎng)米級(jí)單晶石墨烯提供了必要的科學(xué)依據(jù)，為石墨烯單晶量子科技的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
該研究成果于2017年8月在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）發(fā)表，并被選為封面文章。中國(guó)科學(xué)院沈陽金屬研究所成會(huì)明院士同期在Science Bulletin發(fā)表重點(diǎn)推薦評(píng)論文章。
由于其超強(qiáng)的導(dǎo)電性、強(qiáng)度和柔韌性，石墨烯被認(rèn)為是硅和其他材料最有可能的替代品之一。然而，它還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的產(chǎn)生和應(yīng)用。目前只能以數(shù)毫米至數(shù)厘米的尺寸生產(chǎn)高品質(zhì)的單晶石墨烯。
使用新技術(shù)，科學(xué)家在箔的錐形端獲得單晶銅Cu（111）晶核，其在數(shù)分鐘（b）中逐漸擴(kuò)展到整個(gè)銅箔。 該單晶銅箔用作基板以在其表面上生長(zhǎng)石墨烯。 石墨烯結(jié)晶的過程開始于石墨烯晶體的小六角島，其長(zhǎng)大以覆蓋整個(gè)表面（c，從左到右）。
近日，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院的丁峰教授和Rodney Ruoff教授與北京大學(xué)劉開輝教授合作，報(bào)道了大尺寸單層單晶石墨烯的合成的最新研究成果。這項(xiàng)最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了石墨烯的飛躍！可以在僅僅20分鐘內(nèi)制造幾乎完美（> 99.9％對(duì)齊）的5×50cm2的單晶石墨烯薄膜。此外，與其它商業(yè)化生產(chǎn)的低品質(zhì)多晶石墨烯薄膜相比，該技術(shù)的低生產(chǎn)成本可以擴(kuò)大其應(yīng)用。該研究成果發(fā)表在了近期的《Science Bulletin》雜志上。該技術(shù)有望大大促進(jìn)石墨烯柔性薄膜相關(guān)的應(yīng)用。
單晶石墨烯是由碳原子構(gòu)成的蜂窩狀單層，整個(gè)材料性質(zhì)均勻一致。但是多晶石墨烯由隨機(jī)取向的石墨烯島形成，降低了其質(zhì)量。目前，科學(xué)家們能夠生長(zhǎng)米尺寸的多晶石墨烯和較小的單晶石墨烯，范圍從毫米到厘米級(jí)。以低成本合成大型單晶石墨烯是石墨烯合成的關(guān)鍵問題。在本研究中，石墨烯生長(zhǎng)在5×50cm2銅箔的表面上，其通過加熱至1,030°而轉(zhuǎn)變成單晶銅箔。從熱到冷的溫度斜率將所謂的晶界向下移動(dòng)，形成完美的單晶。在加熱和冷卻處理中，銅原子在材料內(nèi)遷移，排列成具有較少缺陷的有序結(jié)構(gòu)?！矮@得大尺寸單晶石墨烯的秘訣是以完美的單晶銅為起點(diǎn)，大型單晶銅箔不是商業(yè)上可行的，所以實(shí)驗(yàn)室必須用自己的方法”多維碳材料中心負(fù)責(zé)人丁峰教授解釋說。
為了優(yōu)化技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)必須考慮四個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：
（i）在非常大的區(qū)域制備單晶銅箔；
（ii）在其成核和生長(zhǎng)后獲得石墨烯島的取向高度一致 ；
（iii）通過進(jìn)一步生長(zhǎng)將石墨烯島無縫拼接成單晶，；
（iv）單晶石墨烯的快速生長(zhǎng)。
雖然之前的相關(guān)研究已經(jīng)解決了上述一些挑戰(zhàn)，但是這項(xiàng)研究克服了所有這些挑戰(zhàn)，并且使得尺寸單晶石墨烯的合成成為可能。 不對(duì)稱石墨烯島的比例小于0.1％，相當(dāng)于微不足道的產(chǎn)品缺陷和晶界。
生長(zhǎng)石墨烯的銅箔與IPHONE的尺寸對(duì)比
目前的結(jié)果單晶石墨烯的制備僅受銅箔的尺寸限制，原則上銅箔和石墨烯薄膜的尺寸都可以是無限的。此外，考慮到石墨烯合成（20分鐘）非常短的時(shí)間和相對(duì)低成本的實(shí)驗(yàn)裝置，單晶（或近似單晶）石墨烯的價(jià)格可能接近當(dāng)前多晶石墨烯薄膜的價(jià)格。丁峰教授說：“許多科學(xué)家的夢(mèng)想就是取代硅?！薄艾F(xiàn)在，我們正在探索哪一種是最好的材料，以及如何使用銅作為其他有趣的2-D材料的基材。”
論文信息：
Ultrafast epitaxial growth of metre-sized single-crystal graphene on industrial Cu foil
https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.07.005
資料來源：烯碳資訊編輯整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
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