一直以來，銅箔（Cu）是公認的CVD沉積高質量石墨烯薄膜的絕佳襯底材料。商用多晶Cu表面存在的缺陷、臺階、晶界可作為石墨烯生長形核位點，同時也可使形核密度增大，使取向無規(guī)則化。因此，石墨烯晶粒尺寸的進一步生長受到一定限制。當不同取向的晶粒形成薄膜時，晶界的存在往往使電學、力學性能變差。因此，相比起機械剝離法，CVD生長石墨烯的質量還有待提高。

為了減小疇界所造成的不利影響，有必要制備出適用于多種應用場景的高質量大片單晶石墨烯薄膜。目前，控制CVD石墨烯形核以及生長的方法有以下兩種。第一種方法是在石墨烯進行外延生長時精確控制疇取向，使臨近疇之間建立無縫過渡。第二種方法是抑制形核密度，避免可能形成的疇界。雖然后一種方法可以通過控制碳前驅體的濃度來實現，其生長速度和產率一般較低（通常為1.8-2.4 μm/min， 幾小時到幾天）。

近期，北京大學的Huan Wang等人研究出一種銅箔表面單晶化作為石墨烯生長襯底材料，快速生長大尺寸單晶石墨烯片層的方法。首先，將多晶Cu進行如圖1中的卷疊，在1035℃下進行預氧化處理使多晶Cu轉變?yōu)閱尉u（100），隨后通入氫氣去除吸附在Cu表面的氧。其原理在于利用表面氧氣化學吸附誘導晶體結構重組（圖2）。再者，銅箔間的圈繞或堆疊所形成的10 μm的間隙也促進石墨烯疇的生長。作者把這種生長機制歸結于CVD過程中所謂的分子流動模式（molecular flow mode）。

根據石墨烯在堆疊銅箔（間隙：10－30μm）中的生長常數可計算出前驅氣體的分子平均自由程約為300μm，因此在分子平均自由程內流動的氣體以高頻率撞擊在銅箔內表面，這不僅提高了碳流量的濃度，也加強了分子與銅箔表面的相互作用。由圖3（b）可以看出，堆疊銅箔內側可在10 min內生長石墨烯方形疇最大尺寸為3mm。從相差矯正TEM圖像和拉曼光譜中可以看出所形成的石墨烯質量高并且是單層結構。

總之，在這種銅箔表面單晶化襯底上可沉積厘米尺寸級別的單晶石墨烯，生長速度最高可達300 μm/min，比之前報道的值高了兩個數量級，也使大片石墨烯的規(guī)?；苽涑蔀榭赡堋?相關研究成果在線發(fā)表于知名期刊Advanced Materials上。

來源：低維材料

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