石墨烯超低温可控外延生长研究取得系列进展

近期，中科大微尺度物质科学国家实验室曾长淦教授研究组与张振宇教授研究组及其国内外同行理论与实验互动性合作，在石墨烯超低温可控外延生长研究方面取得了系列进展，研究成果发表在ACS Nano, Physical Review Letters 和Scientific Reports上。

石墨烯，即单层碳原子蜂窝状结构。由于其具有独特的力、热、光、电等特性，在诸多领域都有诱人的应用前景。2004年，英国科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫等人首次通过胶带法(Scoth Tape)机械剥离石墨块体制备出石墨烯，两人并于2010年因此工作获得诺贝尔物理奖。此后，制备石墨烯的新方法层出不穷，尤其是通过非平衡表面生长，有望获得大规模高质量的石墨烯样品。

2009年，美国德州大学奥斯汀分校Ruoff研究组利用化学气相沉积法（CVD）在铜薄片衬底上成功生长出较大面积的单层石墨烯，从而使铜衬底成为催化石墨烯生长的最佳选择。张振宇研究组与美国田纳西大学朱文光博士合作，利用基于第一性原理的密度泛函理论计算，研究了石墨烯在金属衬底上外延生长初期的碳原子凝聚行为，阐明了铜作为催化衬底之所以优于其他金属，是由于更容易遍地成核(Phys. Rev. Lett. 104, 186101 (2010))。这一机理虽然有利于石墨烯生长，但"遍地开花"的成核过程会导致大量的晶界，严重降低了石墨烯的质量。针对这一难题，该团队又设计了一种合适的超结构合金表面，基于"成核-生长"两步动力学途径，有效地抑制生长过程中晶界的形成，为大规模制备高质量的单晶石墨烯提供了一种新思路 (Phys. Rev. Lett. 109, 265507 (2012))。另一方面，常规的基于气态碳源的铜表面石墨烯生长需要1000℃左右的高温。在此高温下，不仅反应能耗增加，也很难有效调控石墨烯的有序生长。最近，曾长淦研究组另辟蹊径，采用液态苯作为碳源，将生长温度大大降低至300℃ (ACS Nano 5, 3385–3390 (2011))。这是目前世界上已有报道里石墨烯CVD 生长的最低温度。

张振宇研究组博士后研究员Jin-Ho Choi博士与曾长淦教授研究组合作的最新研究，更好地理解了金属衬底上石墨烯低温生长的微观机理。Choi首先在理论上预言London色散力（主要指范德华力吸引力）在石墨烯生长过程中各种微妙而相互竞争的化学反应中起着决定性的作用：芳香性分子具有增强的London色散力，可有效阻止吸附分子从表面上的脱附，并进而促进必要的脱氢反应。因此，采用尺寸较大的芳香性分子代替典型的甲烷做碳源，可以实现石墨烯的低温生长。曾长淦研究组新的实验精确验证了这一预言并进一步扩展了这一机制的适用空间。当采用一种新的、更大的芳香性分子（对三联苯）作为碳源时，在300°C甚至更低的温度下即可获得大面积高质量的单层石墨烯。通过拉曼光谱、光透射谱和扫描隧道显微镜图像，清楚地表明所生成的石墨烯是单分子层厚度。London色散力是由普遍存在的瞬时偶极引起的，本质上无处不在；因此，该工作对表面纳米结构的生长具有普适的重要性。该研究成果于5月31日发表在Scientific Reports。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院外籍青年科学家基金、韩国海外博士后基金、科技部等资助。