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石墨烯2018：单晶石墨烯大批量生产

詹姆士·宋

石墨烯具有惊人的性能，例如抗拉强度是钢的 100 倍，导电率是铜的 100 倍。然而，这些特性取决于完整的碳原子蜂窝结构，这些碳原子可能存在于天然石墨中，跨纳米尺度的la或lc。为了将缺陷较少的石墨晶体扩大到微米尺寸的蜂窝面积约一百万倍，我们发明了一种金属催化工艺来再生石墨。通过对镍金属进行热处理，使碳原子作为溶质饱和，la 可以随着温度和时间的推移而增大，如下所示。除了扩大再生石墨的单晶外，我们还通过金刚石喷嘴使用含有悬浮石墨的高压 NMP 进行液体注射法来剥离此类单晶。液体的超音速可以使石墨突然膨胀到更少的层数。与此同时，再生石墨的缺陷区域被去除。

一种生产一英尺多长的大型单层单晶类石墨烯薄膜的新方法依赖于利用晶体之间的“适者生存”竞争。这项新技术由美国能源部橡树岭国家实验室领导的团队开发，可能为生产期待已久的实际应用所需的高质量二维材料开辟新的机会。

以研究功能所需的规模生产石墨烯和其他二维材料的薄层是很常见的，但它们必须以更大的规模制造才能有目的。

石墨烯因其前所未有的强度和高导电性的潜力而备受赞誉，可以通过通用方法制造：将石墨（铅笔中发现的银色软材料）的孤立薄片形成单原子厚的层，或在催化剂上逐个原子地发展从气态前体直到形成超薄层。

橡树岭国家实验室领导的团队使用了这种方法，称为化学气相沉积或CVD。在《自然材料》上发表的一项研究中，他们分析了 CVD 过程的局部控制如何允许在最佳条件下进化或自我选择生长，从而产生大的、单晶状的石墨烯片。研究人员表示，大单晶的机械性能更加坚固，并且可能具有更高的电导率，因为多晶石墨烯中各个域之间的互连所产生的缺陷被消除了。CVD方法不仅可以成为改善单晶石墨烯大规模制造的关键，而且也可以成为其他二维材料的关键，这对于其大规模应用是必要的。

与生产石墨烯的传统 CVD 方法非常相似，研究人员将碳氢化合物前体分子的气态混合物喷射到金属多晶箔上。然而，他们仔细控制了碳氢化合物分子的局部沉积，将它们直接带到新兴石墨烯薄膜的角落。根据转移到下面的基材，碳原子不断相遇，形成长达一英尺的石墨烯晶体。

当碳氢化合物接触到温暖的催化剂箔时，它们会形成碳原子簇，随着时间的推移，这些碳原子簇会发展成更大的区域，直到聚结以覆盖整个基底。研究小组已经发现，在足够高的温度下，石墨烯的碳原子现在不再关联或镜像基板的原子，从而允许非外延晶体生长。

考虑到气体混合物的浓度强烈影响单晶形成的时间，将碳氢化合物前体输送到单石墨烯晶体现有边缘附近可以促进其比新团簇的形成更有效的增加。研究小组表示，在这样的管理下在环境中，石墨烯晶体生长最快的方向压倒其他晶体，并被“进化选择”成单晶，甚至在多晶衬底上也是如此，而不必适应衬底的方向，这通常发生在优选的外延生长中。

由莱斯大学领导的该团队的理论家提供了一个模型，分析哪些晶体取向具有使它们最适合生存的独特性质，以及为什么晶体取向的选择可能取决于底物和前体。他们还发现，如果石墨烯或任何二维材料，类似于硅的 Czochralki 方法。他们还注意到，制造商可以放心，当为任何设备制造切割大型晶圆尺寸的原始层时，所得的每个部件都将是优质单晶。这种潜在的巨大而有影响力的作用激励我们探索尽可能清晰的理论原理。

该团队技术的实际应用仍有待观察，但研究人员认为，他们的进化选择单晶生长方法可能也适用于有前途的替代二维物质，例如氮化硼，也被认为是“白色石墨烯” ，”和二硫化钼。

以节能的方式大规模生长晶圆尺寸的单晶石墨烯，并且非常适合晶圆技术，对于石墨烯在高性能电子和光电子领域的杀手级功能至关重要。在这里，借助定制的两步磁控溅射和再结晶工艺，在单晶 Cu90Ni10 薄膜上实现了单晶石墨烯晶圆的超快外延生长。少量镍 (Ni) 含量的材料大大增强了 Cu 的催化作用，使得 4 英寸单晶单层石墨烯晶片在 Cu90Ni10 上 10 分钟内生长，比 Cu 上石墨烯生长快 50 倍。通过碳同位素标记实验，证明Cu90Ni10上石墨烯的增加完全是表面反应主导的，这归因于 CuNi 合金中 Cu 的表面富集，如纵横剖面图所示。我们协议的首要优势之一是与晶圆工艺的兼容性和令人难以置信的可扩展性。

单晶石墨烯晶圆在适合晶圆工艺的高性能电子和光电子领域具有广阔的前景。多晶石墨烯是由随机取向的石墨烯岛形成的，这限制了其质量。目前，科学家能够生长米级大小的多晶石墨烯和更小的单晶石墨烯，尺寸范围从0.01平方毫米到几厘米。考虑到石墨烯合成时间短（20分钟）和相对低成本的实验装置，单晶石墨烯的成本可能接近目前多晶石墨烯薄膜的成本，低于硅。