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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(bào)道）據(jù)EurekAlert!：石墨烯是由碳原子構(gòu)成的具有二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單原子層晶體材料。石墨烯具有狄拉克錐形的能帶結(jié)構(gòu)，其載流子在狄拉克點(diǎn)附近具有線性的能量色散關(guān)系，是一種無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)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(zhì)，包括：(1) 具有非常高的載流子遷移率，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)高達(dá)350,000 cm2 VC1 sC1，遠(yuǎn)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(dá)到97%；(3) 具有非常好的機(jī)械性能，楊氏模量高達(dá)1 TPa；(4) 具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，室溫下單層懸空石墨烯的導(dǎo)熱率達(dá)到5000 W/mK，比傳統(tǒng)的金屬材料高一個數(shù)量級?？傊鳛槟壳鞍l(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電導(dǎo)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(xué)家甚至預(yù)言石墨烯極有可能將“徹底改變21世紀(jì)”，掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)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(zhì)石墨烯制備技術(shù)一直是石墨烯研究和應(yīng)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)石墨烯高端應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。利用化學(xué)氣相沉積法在Cu和Ni上實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控生長為石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(shí)現(xiàn)大面積、連續(xù)單層、高質(zhì)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(shí)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(yán)重破壞石墨烯薄膜的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。因此，要真正將石墨烯應(yīng)用于高、精、尖領(lǐng)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(xué)難題。

最近，北京大學(xué)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(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了大尺寸石墨烯單晶的制備(Science Bulletin 2017, 62, 1074)。該研究團(tuán)隊(duì)首先發(fā)展出了一種氧輔助生長的石墨烯超快生長技術(shù)(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(chǔ)上，他們又發(fā)展了一種基于溫度梯度驅(qū)動晶界運(yùn)動的技術(shù)，成功地把工業(yè)級多晶銅箔轉(zhuǎn)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(shí)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(jì)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(diǎn)，為石墨烯單晶的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)鋪平了道路。

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