重磅：大面積單晶石墨烯將實現CVD連續量產！

第一作者：Ivan V. Vlassiouk

通訊作者：Ivan V. Vlassiouk、Boris I. Yakobson、Sergei N. Smirnov

第一單位：橡樹嶺國家實驗室（美國）

自從2004年，Novoselov和Geim首次實現單層石墨烯的剝離以來，這種奇異的二維納米材料就註定要在人類歷史上划上濃妝重彩的一筆。

要想實現商業化，第一步就是批量合成，而且是高品質的、低成本的批量合成。最早的透明膠帶法，肯定只能放在博物館作展覽之用了。目前最容易實現高品質大面積單晶石墨烯的生長策略，首選還是CVD（化學氣相沉積法）。

圖1. 首次剝離石墨烯的膠帶

CVD生長主要依靠前驅碳氫化合物氣體（甲烷、乙烷等）裂解產生碳原子，並在合適的基底表面生長得到石墨烯。一般來說，大面積單晶石墨烯的製備，往往需要高品質的單晶作為基底材料，然後進行外延異質生長。

譬如在適當的高溫情況下，使Cu基底表面形成Cu（111）單晶表面，然後進行外延異質生長；或者控制單點成核結晶，從而得到高品質石墨烯。這些方法或多或少都存在一些問題，不是重複性不夠好，就是高品質單晶基底難求。

圖2. CVD制石墨烯常規示意圖

因此，如何通過CVD實現單晶石墨烯的批量合成，是擺在石墨烯規模化應用面前的最大阻礙！

有鑒於此，美國橡樹嶺國家實驗室Ivan V. Vlassiouk與萊斯大學Boris I. Yakobson、新墨西哥州立大學Sergei N. Smirnov等團隊合作，開發了一種連續量產大面積單晶石墨烯的CVD製備技術。

圖3. 進化選擇生長原理

該技術採用的基本生長原理被稱之為「進化選擇生長」（Evolutionary selection growth）。也就是說，生長最快的晶粒將取代生長較慢的晶粒，生長慢的晶粒將逐步消失，最終生長最快的晶粒佔據主導地位，得到高品質的單晶石墨烯。

基於該原理，研究人員發展了一種易於拓展成卷對卷形式的CVD量產裝置：H2/Ar混合氣體正常通入爐內，CH4/Ar混合前驅氣體以小尺寸噴嘴的形式對準Cu/Ni基底，整體溫度保持在1000℃以上。基底以1-2 cm s-1的速度均勻移動。

圖4. CVD裝置和實驗結果

其中，Ni起到增強催化活性的作用。CH4/Ar混合前驅氣體單獨以小噴嘴的形式加入，是為了減少成核位點。1000℃的高溫則是為了使碳原子更快速地、源源不斷的補充到生長過程中，避免生成新的晶核。

由此，研究人員實現了人體腳掌大小的單晶石墨烯薄膜的製備，值得一提的是，該技術對生長基底質量要求不高。通過設備優化，甚至還可以實現米級單晶石墨烯薄膜的連續化CVD控制製備。

圖5. 石墨烯單晶取向

總之，這項技術為高品質單晶石墨烯以及其他非石墨烯二維材料的批量生產提供了全新的思路，為包括石墨烯在內的二維材料的廣泛應用打下了堅實的基礎！

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1.Ivan V. Vlassiouk、Boris I. Yakobson、Sergei N. Smirnov et al. Evolutionaryselection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates. NatureMaterials 2018.

2.Daniele Passerone. Grown with the wind. Nature Materials 2018.

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