說(shuō)起石墨烯，幾乎家喻戶曉，其優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能引起全世界科學(xué)家們瘋狂的追捧。盡管目前在實(shí)驗(yàn)室中小尺寸的石墨烯單晶制備及其應(yīng)用研究已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是我們至今難以在生活中見到它的大規(guī)模應(yīng)用，其中的一個(gè)重要原因就是難以制備出更大尺寸的石墨烯單晶。

CVD生長(zhǎng)主要依靠前驅(qū)碳?xì)浠衔餁怏w（甲烷、乙烷等）裂解產(chǎn)生碳原子，并在合適的基底表面生長(zhǎng)得到石墨烯。一般來(lái)說(shuō)，大面積單晶石墨烯的制備，往往需要高品質(zhì)的單晶作為基底材料，然后進(jìn)行外延異質(zhì)生長(zhǎng)。譬如在適當(dāng)?shù)母邷厍闆r下，使Cu基底表面形成Cu（111）單晶表面，然后進(jìn)行外延異質(zhì)生長(zhǎng)；或者控制單點(diǎn)成核結(jié)晶，從而得到高品質(zhì)石墨烯。這些方法或多或少都存在一些問題，不是重復(fù)性不夠好，就是高品質(zhì)單晶基底難求。

圖2. CVD制石墨烯常規(guī)示意圖

因此，如何通過(guò)CVD實(shí)現(xiàn)單晶石墨烯的批量合成，是擺在石墨烯規(guī)模化應(yīng)用面前的最大阻礙！

近日，美國(guó)能源部橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ivan V. Vlassiouk與萊斯大學(xué)Boris I. Yakobson、新墨西哥州立大學(xué)Sergei N. Smirnov等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù)，可以生產(chǎn)超過(guò)1英尺的單層石墨烯單晶，有望為石墨烯等2D材料的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。相關(guān)研究成果于3月12日在線發(fā)表于Nature Materials期刊上。("Evolutionary selection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates")

石墨烯的典型制備方法包括將石墨片層層剝離至單原子層厚，或者利用氣相沉積法在催化劑上逐個(gè)沉積生長(zhǎng)成超薄的石墨烯。在這項(xiàng)研究中，ORNL的研究人員就采取了后者，并做了改良。

圖3. 進(jìn)化選擇生長(zhǎng)原理

該技術(shù)采用的基本生長(zhǎng)原理被稱之為“進(jìn)化選擇生長(zhǎng)”（Evolutionary selection growth）。”該研究的主導(dǎo)人之一、ORNL的Ivan Vlassiouk教授表示：“這是因?yàn)?大尺寸單晶)消除了多晶石墨烯中各個(gè)疇之間互連所產(chǎn)生的薄弱點(diǎn)。”最終生長(zhǎng)最快的晶粒占據(jù)主導(dǎo)地位，得到高品質(zhì)的單晶石墨烯。“我們的方法不僅可以成為改進(jìn)大尺寸單晶石墨烯生產(chǎn)的關(guān)鍵，而且也對(duì)其他2D材料奏效，這對(duì)于這些材料的大規(guī)模應(yīng)用是必需的，”他補(bǔ)充道。

基于該原理，研究人員發(fā)展了一種易于拓展成卷對(duì)卷形式的CVD量產(chǎn)裝置：H2/Ar混合氣體正常通入爐內(nèi)，CH4/Ar混合前驅(qū)氣體以小尺寸噴嘴的形式對(duì)準(zhǔn)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(dòng)。

圖4. CVD裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

由此，研究人員實(shí)現(xiàn)了人體腳掌大小的單晶石墨烯薄膜的制備，值得一提的是，該技術(shù)對(duì)生長(zhǎng)基底質(zhì)量要求不高。通過(guò)設(shè)備優(yōu)化，甚至還可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)單晶石墨烯薄膜的連續(xù)化CVD控制制備。

圖5. 石墨烯單晶取向

總體來(lái)看，該研究提出的這種制造大尺寸石墨烯單晶的方法意義重大，不僅石墨烯單晶的實(shí)際應(yīng)用，同樣適合可用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的氮化硼、過(guò)渡金屬二硫?qū)倩衔锏绕渌?D材料，為這些2D材料進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用，鋪平了道路。