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- 發(fā)布時間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。科學界在石墨烯體系中觀察到了許多量子現(xiàn)象和量子效應，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、量子計算和量子通訊等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。如何獲得大尺寸單晶石墨烯是石墨烯研究領(lǐng)域的熱點和難點，是實現(xiàn)石墨烯工業(yè)化應用的基礎。雖然利用化學氣相沉積方法（CVD）方法已經(jīng)實現(xiàn)了米級多晶石墨烯薄膜的制備，但是米級單晶石墨烯薄膜技術(shù)還未被突破。
最近，在量子調(diào)控與量子信息重點專項項目的支持下，北京大學劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士及其合作者，繼2016年首次實現(xiàn)石墨烯單晶的超快生長之后，在米級單晶石墨烯的生長方面再次取得重要進展。研究團隊將工業(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，利用外延生長技術(shù)和超快生長技術(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)果為快速生長米級單晶石墨烯提供了必要的科學依據(jù)，為石墨烯單晶量子科技的產(chǎn)業(yè)化應用奠定基礎。
該研究成果于2017年8月在《科學通報》（Science Bulletin）發(fā)表，并被選為封面文章。中國科學院沈陽金屬研究所成會明院士同期在Science Bulletin發(fā)表重點推薦評論文章。
由于其超強的導電性、強度和柔韌性，石墨烯被認為是硅和其他材料最有可能的替代品之一。然而，它還沒有實現(xiàn)工業(yè)化的產(chǎn)生和應用。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）中逐漸擴展到整個銅箔。 該單晶銅箔用作基板以在其表面上生長石墨烯。 石墨烯結(jié)晶的過程開始于石墨烯晶體的小六角島，其長大以覆蓋整個表面（c，從左到右）。
近日，韓國基礎科學研究院的丁峰教授和Rodney Ruoff教授與北京大學劉開輝教授合作，報道了大尺寸單層單晶石墨烯的合成的最新研究成果。這項最新技術(shù)實現(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)成本可以擴大其應用。該研究成果發(fā)表在了近期的《Science Bulletin》雜志上。該技術(shù)有望大大促進石墨烯柔性薄膜相關(guān)的應用。
單晶石墨烯是由碳原子構(gòu)成的蜂窩狀單層，整個材料性質(zhì)均勻一致。但是多晶石墨烯由隨機取向的石墨烯島形成，降低了其質(zhì)量。目前，科學家們能夠生長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。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，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)。“獲得大尺寸單晶石墨烯的秘訣是以完美的單晶銅為起點，大型單晶銅箔不是商業(yè)上可行的，所以實驗室必須用自己的方法”多維碳材料中心負責人丁峰教授解釋說。
為了優(yōu)化技術(shù)，該團隊必須考慮四個技術(shù)挑戰(zhàn)：
（i）在非常大的區(qū)域制備單晶銅箔；
（ii）在其成核和生長后獲得石墨烯島的取向高度一致 ；
（iii）通過進一步生長將石墨烯島無縫拼接成單晶，；
（iv）單晶石墨烯的快速生長。
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。 不對稱石墨烯島的比例小于0.1％，相當于微不足道的產(chǎn)品缺陷和晶界。
生長石墨烯的銅箔與IPHONE的尺寸對比
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）非常短的時間和相對低成本的實驗裝置，單晶（或近似單晶）石墨烯的價格可能接近當前多晶石墨烯薄膜的價格。丁峰教授說：“許多科學家的夢想就是取代硅。”“現(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)載請注明出處。
