高质量二维原子晶石墨烯的制备及性能研究

　　高质量二维原子晶体的可控制备是基础研究和应用开发的前提，目前是迫切需要优先研究的重大基础科学问题之一。可控制备的最终目的是获得大面积、单层和单晶结构的二维原子晶体。

　　在中国科学院、科技部和国家自然科学基金委的大力支持下，中国科学院化学研究所有机固体重点实验室的相关科研人员最近在石墨烯、氮化硼的可控制备和性能研究方面取得重要进展，有关结果均发表在Adv. Mater.上。

　　介电层上直接生长单晶石墨烯。化学气相沉积法（CVD）因兼有高质量和宏量的优点已成为石墨烯制备的最重要的方法之一。但利用这种方法制备的石墨烯一般都需要转移到其它介电层上，才能制备石墨烯器件和电路，转移过程将带来石墨烯破损、褶皱、污染以及材料浪费等问题。因此，能否在介电层上直接生长石墨烯就具有重要的科学意义和巨大的技术需求。它与目前硅电子学的加工工艺兼容，石墨烯不需要转移，可以直接用于器件的制备和组装。

　　在前期工作中，研究人员发明了氧辅助法，在二氧化硅绝缘材料上直接制备了石墨烯薄膜（J. Am. Chem. Soc. 2011， 133， 17548）。随后他们又发现通过两段化学气相沉积方法，控制石墨烯的成核点和晶区尺寸，实现了在氮化硅表面上的直接生长。制备的石墨烯薄膜中石墨烯畴晶的尺寸达1μm，迁移率在空气中可以达到1510 cm2 V-1s-1（Adv. Mater.， 2013， 25，992）。但上述两种方法制备的石墨烯薄膜均为多晶结构。本工作中他们开发了小气流、长时间、在接近平衡态条件下的沉积方法，在多种绝缘基底上实现了微米尺度石墨烯单晶的非金属催化生长和可控制备。最大石墨烯单晶尺寸达11微米，是文献中报道的在氮化硼基底生长的石墨烯单晶尺寸的30倍。这种石墨烯单晶具有完美的晶体结构，并且表面干净、无褶皱、无破损。由它制备的场效应晶体管的迁移率超过5000 cm2 V-1s-1。该研究成功地实践了中华名言“慢工出细活”，即在小气流、接近平衡态的条件下，由甲烷分解的碳原子有充足的时间重新自组装成单晶石墨烯。