中國科大在石墨烯超低溫可控外延生長研究取得系列進展

　　近期，微尺度物質科學國家實驗室曾長淦教授研究組與張振宇教授研究組及其國內外同行理論與實驗互動性合作，在石墨烯超低溫可控外延生長研究方面取得了系列進展，研究成果發表在ACS Nano, Physical Review Letters 和Scientific Reports上。

　　石墨烯，即單層碳原子蜂窩狀結構。由于其具有獨特的力、熱、光、電等特性，在諸多領域都有誘人的應用前景。2004年，英國科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫等人首次通過膠帶法(Scoth Tape)機械剝離石墨塊體制備出石墨烯，兩人并于2010年因此工作獲得諾貝爾物理獎。此后，制備石墨烯的新方法層出不窮，尤其是通過非平衡表面生長，有望獲得大規模高質量的石墨烯樣品。

　　2009年，美國德州大學奧斯汀分校Ruoff研究組利用化學氣相沉積法(CVD)在銅薄片襯底上成功生長出較大面積的單層石墨烯，從而使銅襯底成為催化石墨烯生長的最佳選擇。張振宇研究組與美國田納西大學朱文光博士合作，利用基于第一性原理的密度泛函理論計算，研究了石墨烯在金屬襯底上外延生長初期的碳原子凝聚行為，闡明了銅作為催化襯底之所以優于其他金屬，是由于更容易遍地成核(Phys. Rev. Lett. 104, 186101 (2010))。這一機理雖然有利于石墨烯生長，但“遍地開花”的成核過程會導致大量的晶界，嚴重降低了石墨烯的質量。針對這一難題，該團隊又設計了一種合適的超結構合金表面，基于“成核-生長”兩步動力學途徑，有效地抑制生長過程中晶界的形成，為大規模制備高質量的單晶石墨烯提供了一種新思路 (Phys. Rev. Lett. 109, 265507 (2012))。另一方面，常規的基于氣態碳源的銅表面石墨烯生長需要1000℃左右的高溫。在此高溫下，不僅反應能耗增加，也很難有效調控石墨烯的有序生長。最近，曾長淦研究組另辟蹊徑，采用液態苯作為碳源，將生長溫度大大降低至300℃ (ACS Nano 5, 3385–3390 (2011))。這是目前世界上已有報道里石墨烯CVD 生長的最低溫度。

　　張振宇研究組博士后研究員Jin-Ho Choi博士與曾長淦教授研究組合作的最新研究，更好地理解了金屬襯底上石墨烯低溫生長的微觀機理。Choi首先在理論上預言London色散力(主要指范德華力吸引力)在石墨烯生長過程中各種微妙而相互競爭的化學反應中起著決定性的作用：芳香性分子具有增強的London色散力，可有效阻止吸附分子從表面上的脫附，并進而促進必要的脫氫反應。因此，采用尺寸較大的芳香性分子代替典型的甲烷做碳源，可以實現石墨烯的低溫生長。曾長淦研究組新的實驗精確驗證了這一預言并進一步擴展了這一機制的適用空間。當采用一種新的、更大的芳香性分子(對三聯苯)作為碳源時，在300°C甚至更低的溫度下即可獲得大面積高質量的單層石墨烯。通過拉曼光譜、光透射譜和掃描隧道顯微鏡圖像，清楚地表明所生成的石墨烯是單分子層厚度。London色散力是由普遍存在的瞬時偶極引起的，本質上無處不在;因此，該工作對表面納米結構的生長具有普適的重要性。該研究成果于5月31日發表在Scientific Reports。

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院外籍青年科學家基金、韓國海外博士后基金、科技部等資助。