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工業(yè)銅箔上外延生長單晶石墨烯薄膜的流程示意圖。

（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)EurekAlert!：石墨烯是由碳原子構成的具有二維蜂窩狀結構的單原子層晶體材料。石墨烯具有狄拉克錐形的能帶結構，其載流子在狄拉克點附近具有線性的能量色散關系，是一種無質量的狄拉克費米子。2004年英國的Geim和Novoselov等人發(fā)現(xiàn)，石墨烯不僅可以穩(wěn)定地存在于襯底上，而且表現(xiàn)出非常優(yōu)越的物理性質，包括：(1) 具有非常高的載流子遷移率，實驗上已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)高達350,000 cm2 VC1 sC1，遠高于硅的遷移率（~1400 cm2 VC1 sC1）；(2) 具有非常高的透光率，單層石墨烯的透光率可以達到97%；(3) 具有非常好的機械性能，楊氏模量高達1 TPa；(4) 具有優(yōu)異的導熱性能，室溫下單層懸空石墨烯的導熱率達到5000 W/mK，比傳統(tǒng)的金屬材料高一個數(shù)量級。總之，作為目前發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強度最高、導電導熱性能最好的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”?？茖W家甚至預言石墨烯極有可能將“徹底改變21世紀”，掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產(chǎn)業(yè)革命。

“制備決定未來”，自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，高品質石墨烯制備技術一直是石墨烯研究和應用的核心制約因素，尤其是大面積的石墨烯單晶薄膜制備被認為是實現(xiàn)石墨烯高端應用的關鍵問題之一。利用化學氣相沉積法在Cu和Ni上實現(xiàn)石墨烯的可控生長為石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程帶來了希望的曙光。研究人員發(fā)現(xiàn)，在多晶Cu箔上可以實現(xiàn)大面積、連續(xù)單層、高質量石墨烯的生長。這種相對簡單、成本低廉的可控制備方式迅速被廣泛采用，實現(xiàn)了工業(yè)化大尺寸石墨烯薄膜的制備。但是，迄今為止，制備出的大面積石墨烯薄膜通常是多晶薄膜，而多晶晶疇之間的拼接所形成大量的晶界缺陷會嚴重破壞石墨烯薄膜的電學、力學、熱學和光學性質。因此，要真正將石墨烯應用于高、精、尖領域，制造未來電子芯片器件與系統(tǒng)，大尺寸的石墨烯單晶的制備是一個必須要攻克的科學難題。

最近，北京大學劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士、韓國蔚山科技研究所丁峰教授及其合作者，發(fā)展了一種新的制備技術，成功實現(xiàn)了大尺寸石墨烯單晶的制備(Science Bulletin 2017, 62, 1074)。該研究團隊首先發(fā)展出了一種氧輔助生長的石墨烯超快生長技術(Nature Nanotechnology 2016, 11, 930)，把石墨烯單疇的生長速率提高到60 μm/s。在此工作的基礎上，他們又發(fā)展了一種基于溫度梯度驅動晶界運動的技術，成功地把工業(yè)級多晶銅箔轉化成為單晶Cu(111)。利用單晶Cu(111)作為石墨烯生長的基底，他們實現(xiàn)了石墨烯的外延生長和無縫拼接，完成了在短時間內(nèi)制備5 × 50 cm2的石墨烯單晶薄膜的突破，創(chuàng)造了石墨烯單晶尺寸的世界紀錄。該快速制備方法具備成本低廉和工業(yè)生產(chǎn)兼容等優(yōu)點，為石墨烯單晶的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)鋪平了道路。

　　
該項目得到中國國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金會、中組部青年千人計劃、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等提供的支持。