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- 發布時間2017-11-24 18:46
- 發布人金(jin)彩集團
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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象和量子效應，石墨烯已經成為凝聚態物理研究領域的重要量子體系，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域的熱點和難點，是實現石墨烯工業化應用的基礎。雖然利用化學氣相沉積方法（CVD）方法已經實現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還未被突破。
最近，在量子調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。研究團隊將工業多晶銅箔轉化成了單晶銅箔，得到了世界上目前最大尺寸的單晶Cu（111）箔，利用外延生長技術和超快生長技術成功在20分鐘內制備出世界最大尺寸（5×50 cm2）的外延單晶石墨烯材料。該研究結果為快速生長米級單晶石墨烯提供了必要的科學依據，為石墨烯單晶量子科技的產業化應用奠定基礎。
; 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發表重點推薦評論文章。
由于(yu)其超強(qiang)的(de)導電性、強(qiang)度和(he)柔韌性，石墨烯(xi)被認為是硅(gui)和(he)其他材料最有可能(neng)(neng)的(de)替代品之一。然而，它還沒有實現工(gong)業化的(de)產(chan)生和(he)應用(yong)。目前(qian)只能(neng)(neng)以(yi)數毫(hao)米(mi)至數厘米(mi)的(de)尺(chi)寸生產(chan)高品質(zhi)的(de)單晶石墨烯(xi)。
使用(yong)新技術，科(ke)學家在箔的錐(zhui)形端獲得單(dan)晶銅(tong)(tong)(tong)Cu（111）晶核，其(qi)在數分鐘（b）中逐(zhu)漸擴展到整個銅(tong)(tong)(tong)箔。 該單(dan)晶銅(tong)(tong)(tong)箔用(yong)作基板(ban)以(yi)在其(qi)表面上生長石(shi)墨(mo)烯。 石(shi)墨(mo)烯結晶的過程開始于(yu)石(shi)墨(mo)烯晶體(ti)的小(xiao)六角(jiao)島，其(qi)長大以(yi)覆蓋整個表面（c，從左(zuo)到右）。
近日，韓國基礎(chu)科學研究院的(de)丁峰教授(shou)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。這項最新技術實現了石墨烯的飛躍！可以在僅僅20分鐘內制造幾乎完美（> 99.9％對齊）的5×50cm2的單晶石墨烯薄膜。此外，與其它商業化生產的低品質多晶石墨烯薄膜相比，該技術的低生產成本可以擴大其應用。該研究成果發表在了近期的《Science Bulletin》雜志上。該技術有望大大促進石墨烯柔性薄膜相關的應用。
單晶(jing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)是(shi)由(you)碳(tan)原(yuan)子構成(cheng)(cheng)的(de)(de)蜂窩狀(zhuang)單層，整個(ge)材(cai)料性質均勻(yun)一致。但是(shi)多晶(jing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)由(you)隨機取向的(de)(de)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)島形(xing)成(cheng)(cheng)，降低(di)了其質量。目前(qian)，科學家們能夠(gou)生長米尺寸的(de)(de)多晶(jing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)和較小的(de)(de)單晶(jing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)，范(fan)圍從毫米到厘米級(ji)。以低(di)成(cheng)(cheng)本合(he)成(cheng)(cheng)大型單晶(jing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)是(shi)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)合(he)成(cheng)(cheng)的(de)(de)關鍵(jian)問題(ti)。在本研究中，石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)生長在5×50cm2銅箔的表面上，其通過加熱至1,030°而轉變成單晶銅箔。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，銅原子在材料內遷移，排列成具有較少缺陷的有序結構。“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。
為了優化技術，該(gai)團隊(dui)必須考慮四個技術挑(tiao)戰：
（i）在非常大的區域制備單晶銅箔；
（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(zhi)前的相(xiang)關研究已(yi)經解決(jue)了(le)上述一些挑(tiao)戰(zhan)，但(dan)是這(zhe)(zhe)項研究克服了(le)所有(you)這(zhe)(zhe)些挑(tiao)戰(zhan)，并(bing)且(qie)使得尺寸單(dan)晶石(shi)墨烯的合(he)成成為(wei)可(ke)能。 不對稱(cheng)石墨烯島的比例小于0.1％，相當于微不足道的產品缺陷和晶界。
生長(chang)石墨(mo)烯的銅箔與IPHONE的尺寸對比
目前的(de)(de)(de)結果單晶(jing)石墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)制(zhi)備僅受(shou)銅箔的(de)(de)(de)尺寸(cun)限制(zhi)，原則上銅箔和石墨(mo)(mo)烯(xi)薄膜的(de)(de)(de)尺寸(cun)都可(ke)以是無限的(de)(de)(de)。此外(wai)，考(kao)慮(lv)到石墨(mo)(mo)烯(xi)合(he)成(cheng)（20分鐘）非(fei)常(chang)短的(de)(de)(de)時間和相對(dui)低成(cheng)本的(de)(de)(de)實驗裝置，單晶(jing)（或近(jin)似單晶(jing)）石墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)價格可(ke)能接近(jin)當前多(duo)晶(jing)石墨(mo)(mo)烯(xi)薄膜的(de)(de)(de)價格。丁峰教授說：“許多(duo)科(ke)學家的(de)(de)(de)夢(meng)想就是取代硅(gui)。”“現在，我(wo)們正(zheng)在探索哪一種是最好的(de)(de)(de)材料，以及如何(he)使(shi)用銅作為其他有趣的(de)(de)(de)2-D材料的(de)(de)(de)基(ji)材。”
論文(wen)信(xin)息：
Ultrafast epitaxial growth of metre-sized single-crystal graphene on industrial Cu foil
//doi.org/10.1016/j.scib.2017.07.005
資(zi)(zi)料來(lai)源：烯(xi)碳資(zi)(zi)訊編(bian)輯整理，轉載請注明出處。
