石墨烯，尤其是石墨烯單晶，具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如極高的本征載流子遷移率、極大的熱導(dǎo)率、超高的硬度和優(yōu)異的透光性，因而被廣泛應(yīng)用于光電器件領(lǐng)域，是一種明星材料。石墨烯的性能能否達(dá)到預(yù)期并在未來器件領(lǐng)域中大展身手，關(guān)鍵在于高效制備高質(zhì)量的石墨烯單晶。在過去幾年中，關(guān)于石墨烯單晶制備方法的報(bào)道層出不窮，各展異彩。

最近，武漢大學(xué)付磊教授課題組通過化學(xué)氣相沉積法（CVD）在液態(tài)銅上實(shí)現(xiàn)了石墨烯大單晶的快速生長(zhǎng)，其最快生長(zhǎng)速率高達(dá)79μms?1，刷新了目前關(guān)于石墨烯快速生長(zhǎng)的記錄。該工作發(fā)表在ScienceChinaMaterials上。

液態(tài)金屬是理想的石墨烯生長(zhǎng)天然基底，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)石墨烯的低密度成核和快速生長(zhǎng)。液態(tài)金屬催化劑具有準(zhǔn)原子級(jí)平滑表面、高擴(kuò)散速率，可避免固態(tài)金屬基底固有的缺陷和晶界。液態(tài)銅中豐富的自由電子可以加快石墨烯的成核速度，促使石墨烯秒速成核。同時(shí)，各向同性的平滑表面大大抑制了石墨烯的成核密度。此外，由于液態(tài)銅具有優(yōu)異的流動(dòng)性，加速了碳原子在基底表面的傳質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)了石墨烯的快速生長(zhǎng)。

石墨烯在液態(tài)銅表面的成核與生長(zhǎng)

付磊教授課題組對(duì)石墨烯在固態(tài)銅和液態(tài)銅上的成核和生長(zhǎng)行為進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。與固態(tài)銅相比，石墨烯在液態(tài)銅上的成核密度大大降低，對(duì)應(yīng)的成核活化能也顯著減小。生長(zhǎng)速率對(duì)比表明，石墨烯在液態(tài)銅上的生長(zhǎng)速率比在固態(tài)銅上的生長(zhǎng)速率高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。利用碳同位素標(biāo)記拉曼光譜和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜追蹤液態(tài)銅中碳原子的分布情況，探究液態(tài)銅體系中石墨烯的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。

研究發(fā)現(xiàn)，13C和12C原子在每個(gè)石墨烯單晶中呈現(xiàn)出均勻混合的狀態(tài)。與固態(tài)銅中極低的碳溶量相比，液態(tài)銅中碳溶量更高，說明液態(tài)銅具有很好的容納碳的能力。故而，與在固態(tài)銅體系中的表面吸附生長(zhǎng)模式不同，石墨烯在液態(tài)銅上的生長(zhǎng)模式是表面吸附生長(zhǎng)和體相溶解偏析共存的雙元生長(zhǎng)模式，這極大地提高了石墨烯的生長(zhǎng)速率。這種特殊的雙元生長(zhǎng)模式得益于液態(tài)銅中含有豐富的空位，可以包埋大量的異質(zhì)碳原子。

液態(tài)銅體系中石墨烯生長(zhǎng)速率的研究既能豐富研究者們對(duì)液態(tài)金屬上二維材料生長(zhǎng)行為的認(rèn)知，也為其他二維材料的生長(zhǎng)提供理論借鑒。相信未來利用液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)石墨烯快速生長(zhǎng)的策略將擴(kuò)展到各種二維材料，促進(jìn)其在未來光電以及電學(xué)器件領(lǐng)域的應(yīng)用。