物理学院研究团队把石墨烯单晶的生长速度提高了150倍

刘开辉研究员带领研究生与合作者们一起,利用CVD方法在1000oC左右热解甲烷气体,把多晶铜衬底上石墨烯单晶的生长速度提高了150倍,达到60μm/s。

受到2010年诺贝尔物理学奖的激发,石墨烯作为一种典型的量子材料不仅成为当今凝聚态物理领域的一个非常重要的研究方向,也同样引起国内外工业领域的高度重视:欧盟启动了石墨烯旗舰研究计划,美国、日本、韩国也都先后加大了石墨烯应用基础研究领域的投入力度。中国在各地石墨烯研究协会的基础上成立了石墨烯研究联盟。目前,全球与石墨烯材料和应用相关的各类公司有上万家。尽管石墨烯作为添加物在新能源、新材料等方面得以应用,但是在高端光电器件应用等方面依然进展不大,其核心瓶颈是难以获得大尺寸的石墨烯单晶。现有大单晶石墨烯生长的方法生长速率普遍低于0.4μm/s,需要花费几天的时间来生长出一片晶元级的样品。

最近,由北京大学物理学院俞大鹏院士领导的“纳米结构与低维物理”研究团队的“青年千人计划”研究员刘开辉等在大单晶石墨烯的生长方面取得了新的重要进展,北京“量子物质科学协同创新中心”(2011)的王恩哥院士直接参与了该研究项目,并且给予了大力的支持。刘开辉研究员带领研究生与合作者们一起,利用CVD方法在1000oC左右热解甲烷气体,把多晶铜衬底上石墨烯单晶的生长速度提高了150倍,达到60μm/s。这项重大突破的核心是把多晶铜片放置于氧化物衬底上(两者之间的间隙∼15μm)。理论模拟计算证明,氧化物衬底能够为铜片表面提供连续的活性氧,显著降低了甲烷分解的势垒(从1.57eV降低到0.62eV),从而能够高效催化铜表面上的反应,提高石墨烯的生长速度。利用这种技术,他们能够在5秒钟内生长出300μm的石墨烯大单晶。该研究结果对于可控、高速生长出大尺寸石墨烯大单晶提供了必要的科学依据,因而具有非常重大的科学意义和技术价值。

物理学院研究团队把石墨烯单晶的生长速度提高了150倍

左图:Growth of graphene on Cu foils assisted by a continuous oxygen supply。石墨烯单畴的生长速度为60μm/s;右图:与已有的石墨烯生长速度相比,该研究工作把石墨烯单晶的生长速度提高了150倍。

该研究成果于2016年8月8日在线发表在Nature Nanotechnology上(Nature Nanotechnology|Advance Online Publication:http://www.nature.com/naturenanotechnology /DOI: 10.1038/NNANO.2016.132)。博士研究生徐小志为论文第一作者,刘开辉研究员、丁峰教授、彭海琳教授为共同通讯作者;合作单位有香港理工大学、武汉大学和南方科技大学。该研究成果得到了国家自然科学基金委重点项目、优青项目与科技部相关项目的资助。同时,研究工作也得到了北京“量子物质科学协同创新中心”(2011)、介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。

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