里约奥运会正在如火如荼的进行，获得金牌并打破世界记录是各国运动员的终极目标。与之类似，科学领域也存在各种世界纪录，科学家们也在努力地突破这些极限。最近，一个来自中国的团队在生长大面积、高质量石墨烯薄膜方向取得了重大突破，他们在Nature Nanotechnology报道了一种超快单晶石墨烯生长方法，将单晶石墨烯生长速率的世界纪录提高了150倍！

石墨烯这种明星材料具有独特的物理化学性质，有望在电子、光子和光伏器件等领域带来革命性的改变。不过，大多数实际应用都需要大面积、高质量的石墨烯薄膜，而目前颇受追捧的方法是使用化学气相沉积（CVD）在铜（Cu）表面生长石墨烯。这项技术易于操控，性价比高，很有应用前景，不过也存在亟待解决的问题——石墨烯生长很慢。慢到什么程度？之前报道最快的生长速率为0.4 μm/s，这意味着厘米级别的单晶石墨烯薄膜要生长至少数个小时。北京大学的刘开辉（Kaihui Liu）研究员、彭海琳（Hailin Peng）教授和香港理工大学的丁峰（Feng Ding）副教授研究团队找到了大幅提高单晶石墨烯生长速率的方法，他们成功地以60 μm/s的生长速率制备了横向尺寸为0.3 mm的单晶石墨烯，用时仅仅5秒。（Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuous oxygen supply. Nature Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.132）

刘开辉研究员（左）、彭海琳教授（中）和丁峰副教授（右）。图片来源：北京大学/香港理工大学

实际上，使用CVD进行碳材料的超快生长早已实现，清华大学魏飞、张莹莹团队2013年曾以80 μm/s的速率制备了半米长的高质量碳纳米管，这已经接近了理论生长速率的极限（ACS Nano, 2013, 7, 6156-6161）。那么，为什么一维碳纳米管能够快速生长，但二维的石墨烯就慢的离谱呢？

刘开辉、彭海琳、丁峰研究团队认为问题可能出在生长环境中氧的引入上。在催化剂Cu表面引入氧，能够在石墨烯CVD生长时降低石墨烯的成核密度并提高生长速率。话虽如此，实现充分和连续的供氧并不是件容易的事情。石墨烯CVD生长时所用的载体气需要含有氢气，而氧在到达Cu表面之前就会很容易地与氢反应并被“拦截”。研究团队找到的解决方案堪称精妙，他们在铜箔下方距离大约15 μm的地方设置了一层平面氧化物衬底，作为氧源为Cu表面连续供氧（下图a/b/c）。尽管氧化物释放的氧量不多，但在铜箔和氧化物衬底之间非常狭小的间隙之内，氧浓度能达到较高水平，满足石墨烯快速生长需要（下图d）。

铜箔下方设置平面氧化物衬底作为氧源。图片来源：Nature Nanotech.

实验结果证实了研究团队的推测，氧的连续供应能够显著提高Cu表面的单晶石墨烯生长速率。无论是二氧化硅还是氧化铝衬底，都可以使得铜箔正对氧化物衬底的一面（铜箔的背面）上实现圆形石墨烯域的大面积、快速生长（下图d/f）；而铜箔背对氧化物衬底的一面（铜箔的正面）以及使用非氧化物（例如石墨、钽、碳化硅）衬底时的铜箔两面上，都只能出现面积小了约20倍的星形石墨烯域（下图e/f）。（小编：这种石墨烯“小星星”是不是看上去很萌很漂亮？但现在要靠实力吃饭了，靠脸的只能惨遭抛弃~~）

不同衬底条件下，铜箔上生长的石墨烯域（白色）。图片来源：Nature Nanotech.

随后的透射电镜（TEM）实验证实了所得到的大面积石墨烯的确是单晶（下图a/b/c/d），而且质量很高——扫描隧道显微镜（STM）图像中碳原子排列规律，呈蜂窝状晶格结构，没有观察到缺陷（下图i/j/k）；拉曼光谱中也没有观察到D峰（下图l）。

所得石墨烯域的表征。图片来源：Nature Nanotech.

研究团队还对方法的机理进行了分析。他们认为在石墨烯CVD生长过程中，氧化物衬底为Cu表面连续提供的氧，可显著降低碳原料（甲烷）分解的能垒，从而提高生长速率（下图）。

无氧（j）有氧（l）条件向下甲烷分解的能垒（k）比较。图片来源：Nature Nanotech.

总而言之，北京大学-香港理工大学团队的策略重点在于使用氧化物衬底为Cu催化剂连续供氧，同时衬底与Cu之间形成非常狭小的间隙以提高局部的氧浓度。这为大规模、低成本、快速制备大面积、高质量的石墨烯薄膜指出了一个新方向，将极大推动石墨烯实用化的进程。

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.132.html