最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）微加工實(shí)驗(yàn)室顧長志研究員及李無瑕、李俊杰等人與量子科學(xué)模擬中心徐力方研究員，中國人民大學(xué)徐靖副教授和美國倫斯勒理工學(xué)院張繩百教授合作，首先從材料設(shè)計(jì)入手，在理論上預(yù)言了金剛石（111）表面在B原子的誘導(dǎo)下可以實(shí)現(xiàn)金剛石結(jié)構(gòu)向石墨烯結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變，之后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單晶金剛石（111）表面在B摻雜的條件下可以自組織形成高質(zhì)量的石墨烯，并且層數(shù)可控。

他們基于第一性原理的理論計(jì)算，模擬了不同硼摻雜濃度與位置對(duì)金剛石表面再構(gòu)的影響，結(jié)果表明第五層的摻硼直接導(dǎo)致了由金剛石到石墨的結(jié)構(gòu)相變，金剛石(111)面的第一個(gè)雙層完全sp2化，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌邮?，并且完全脫離下面的結(jié)構(gòu)。這樣形成的單層石墨烯，層內(nèi)的C-C鍵長為1.45 ?，跟下面襯底的距離為3.30 ?。這與石墨層內(nèi)的鍵長1.42 ?，以及石墨層間距3.35 ?都非常接近，說明存在金剛石-石墨烯的相轉(zhuǎn)變。這種結(jié)構(gòu)相變是由于第五層摻入的硼原子增強(qiáng)了表面的再構(gòu)效應(yīng)所導(dǎo)致。之后，他們采用CVD方法，在高溫高壓（HPHT）金剛石單晶的（111）表面上，通過硼摻雜和生長參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的自組織生長，所制備的石墨烯具有高質(zhì)量、低缺陷、大面積和高遷移率等特點(diǎn)。而且可以通過改變生長條件，在金剛石襯底上制備出從單層到雙層及多層的石墨烯，很好地驗(yàn)證了理論預(yù)言。這種金剛石襯底上的石墨烯材料，兼顧了金剛石和石墨烯的眾多優(yōu)異物理特性，為研制新奇功能的石墨烯器件奠定了基礎(chǔ)。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的資助。

來源：中國科學(xué)院物理研究所

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