Nano Res.[碳]│刘忠范-孙禄钊团队:“碳二聚体”助攻，石墨烯量产再提速

背景介绍

石墨烯因其优异的导电、导热和力学性能，被誉为“材料之王”。然而，如何实现高质量石墨烯的规模化制备一直是制约其工业应用的难题。传统的甲烷（CH₄）化学气相沉积（CVD）法在提高生长速率的同时，往往导致晶格取向紊乱，形成大量晶界缺陷，严重影响材料性能。

研究方法

北京大学刘忠范院士-孙禄钊团队提出了一种全新的解决方案：以乙炔（C₂H₂）替代甲烷作为碳源。通过理论计算与实验相结合，团队发现乙炔分解产生的碳二聚体（C₂）能够通过“三聚成环”机制形成完美六边形核，绕过了传统单碳路线中易产生缺陷的链-环转换过程。这一机制不仅显著提升了石墨烯的结晶质量，还实现了生长速率与取向控制的双赢。

成果简介

研究团队利用碳二聚体的独特化学性质，在Cu(111)箔材上实现了>98%晶格取向一致性的石墨烯生长，即使在高成核密度（10⁴/mm²）下仍能保持高度有序。通过优化卷对卷（R2R）CVD工艺，团队成功将石墨烯生长速度提升至500毫米/分钟，并制备出米级单晶石墨烯薄膜。这一突破为石墨烯的工业化生产提供了全新路径。

图文导读

图1 碳二前驱体的成核路径和取向计算。(a)甲烷碳源C1成核路径示意图：石墨烯成核过程产生非对称缺陷五元环结构；(b)乙炔碳源C2成核路径示意图：通过三聚成环形成石墨烯晶核，该晶核与Cu(111)基底呈现完美晶体结构及对称性匹配；(c) Cu(111)表面两种成核路径下氢钝化C₂₀团簇形成能随相对角度变化评估曲线；(d) 氢钝化C₂₀团簇锯齿形边缘与Cu(111)<110>晶向间倾斜角的定义。

图2 不同碳源石墨烯取向控制的多尺度表征与统计分析。(a)以CH₄为碳源生长的石墨烯SEM图像；(b) 以C₂H₂为碳源生长的石墨烯SEM图像；(c) CH₄与C₂H₂碳源下石墨烯畴区取向的统计分析；(d) CH₄碳源制备石墨烯薄膜不同位置的SAED图谱；(e) CH₄碳源SAED衍射角度的统计结果；(f) C₂H₂碳源制备石墨烯薄膜不同位置的典型SAED图谱；(g) C₂H₂碳源SAED衍射角度的统计结果。

图3 不同碳源石墨烯成核特性分析。(a) CH₄为碳源的石墨烯生长示意图；(b) C₂H₂为碳源的石墨烯生长示意图；(c) CH₄碳源生长的石墨烯晶畴形貌；(d) C₂H₂碳源生长的石墨烯晶畴形貌；(e) CH₄与C₂H₂碳源生长石墨烯晶畴的直径分布统计直方图；(f) CH₄与C₂H₂碳源生长石墨烯晶畴的成核密度对比。

图4 石墨烯薄膜的卷对卷生长。(a) C₂H₂碳源在Cu(111)基底上生长的石墨烯薄膜宏观照片；(b) C₂H₂生长石墨烯薄膜的拉曼光谱；(c) 转移至SiO₂/Si基底的石墨烯薄膜光学显微图像；(d) I_D/I_G比值的统计分布图与空间分布图谱；(e) 石墨烯薄膜的LEED表征；(f) Cu(111)基底的LEED表征；(g) 氢气蚀刻后单层石墨烯薄膜的SEM图像。

作者简介

刘忠范，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。北京石墨烯研究院院长、中国国际科技促进会副会长、北京大学博雅讲席教授。“物理化学学报”主编、“科学通报”执行主编。主要从事纳米碳材料研究，发表学术论文700余篇，申请中国发明专利150余项，主编出版专著、译著、科普著作、个人文集等12部。现任国家自然科学基金“石墨烯制备基础科学中心”学术带头人，曾任国家攀登计划（B）、973计划、纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人。2008、2017获国家自然科学二等奖，2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、宝钢优秀教师特等奖，2016年获日本化学会胶体与界面化学年会杰出演讲奖和北京大学方正教师特别奖，2017年获“北京市优秀教师”称号，2018年获ACS NANO杰出演讲奖，2020年获北京大学“国华杰出学者奖”，2021年获“第八届纳米研究奖”和“兴证全球奖教金”师德优秀奖，2022年获中国化学会京博科技卓越奖、IGA石墨烯行业终身荣誉奖，2023年获中国石墨烯产业领航人奖等奖励。

孙禄钊，研究员，北京石墨烯研究院（BGI）课题组长，国家重点项目首席科学家，《科学通报》/Science Bulletin特邀编委，Materials Today Electronics青年编委。2015年本科毕业于电子科技大学，2020年获北京大学物理化学博士学位（师从刘忠范院士和彭海琳教授）。致力于石墨烯新材料的可控与规模化制备，在大单晶石墨烯薄膜外延生长、石墨烯层数与堆垛控制、蒙烯金属材料、以及规模化制备装备与工艺等方面取得了系列成果，迄今已发表高水平论文50余篇，引用3700余次（Google scholar），获授权专利20余项，撰写出版《高性能石墨烯材料》（副主编），建成石墨烯薄膜中试生产示范线2条，曾获国际先进材料学会IAAM青年科学家奖、北京市优秀毕业生等荣誉。

文章信息

Song X, Bian P, Xu S, et al. Cyclotrimerization nucleation of dimeric carbon precursors for roll-to-roll synthesis of high-orientation graphene. Nano Research, 2025, 18(8): 94907560. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907560.