中國粉體網(wǎng)訊  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授李震宇研究組與中國科大同行合作，在石墨烯外延生長原子尺度的機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，首次揭示出在不同銅襯底上碳-碳二聚體是石墨烯生長的主要碳供給單元，解釋了不同銅襯底上石墨烯生長中由不同的關(guān)鍵原子動力學(xué)過程所決定的微觀機(jī)理，并預(yù)測了銅表面石墨烯不同生長形態(tài)（分維型或密集型）間相變的轉(zhuǎn)變溫度。該研究成果發(fā)表在5月28日的《物理評論快報(bào)》上，中國科大博士后武平為論文第一作者。

　　利用化學(xué)氣相沉積法在銅襯底上外延生長石墨烯是目前廣泛采用的一種生長大面積、高質(zhì)量單層石墨烯的方法。石墨烯樣品的質(zhì)量取決于一些關(guān)鍵的生長參數(shù)，包括生長溫度、蒸氣壓、襯底形態(tài)和碳源等。揭示石墨烯外延生長的原子尺度機(jī)理，特別是其中各種動力學(xué)過程的相對重要性，對實(shí)現(xiàn)石墨烯非平衡生長的精確控制十分關(guān)鍵。不同的銅襯底中，因?yàn)椋?11）表面的幾何結(jié)構(gòu)與石墨烯相似，而（100）表面在銅箔中分布最多，所以這兩種表面在石墨烯生長中廣受關(guān)注。實(shí)驗(yàn)研究表明，在銅（111）表面石墨烯生長是擴(kuò)散限制的，而在銅（100）表面是貼附限制的。當(dāng)石墨烯島足夠大的時候，不同表面形成支鏈狀或樹枝狀的分維形態(tài)還是形成密集形態(tài)的行為也不一樣。迄今為止，對于這兩種襯底上差異明顯的生長行為的原子機(jī)理的理解仍然欠缺。甚至石墨烯成核生長過程中最基本的供給單元是碳單體，還是更大的碳聚合體，仍然沒有明確的結(jié)論。

碳單體、二聚體、三聚體在銅（111）和（100）襯底上擴(kuò)散能壘（左）以及碳單體、二聚體在銅（111）襯底上石墨烯zigzag邊緣的貼附能壘（右）
　　針對這些問題，研究人員利用多尺度計(jì)算模擬方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算、動力學(xué)蒙特卡羅模擬和速率方程分析，系統(tǒng)地對比研究了在銅（111）和（100）襯底上石墨烯的生長動力學(xué)。結(jié)果表明，在這兩種襯底上，碳-碳二聚體都比碳單體擴(kuò)散快，并且更容易貼附到正在生長的石墨烯島邊緣。因此，在銅襯底上碳-碳二聚體是石墨烯生長的主要供給單元。此外，在銅（111）表面二聚體擴(kuò)散能壘與貼附能壘相當(dāng)，而在銅（100）表面貼附能壘遠(yuǎn)大于擴(kuò)散能壘，導(dǎo)致石墨烯生長行為分別表現(xiàn)出擴(kuò)散限制和貼附限制的特征。同時，他們還研究了碳-碳二聚體在石墨烯島邊緣的擴(kuò)散行為，進(jìn)而揭示了不同銅襯底上石墨烯不同生長形態(tài)（分維型或密集型）的形成機(jī)理，并預(yù)測了兩種形態(tài)間相變的轉(zhuǎn)變溫度。該工作不僅為理解銅（111）和（100）襯底上石墨烯外延生長的原子機(jī)理提供了新思路，也有助于器件應(yīng)用中石墨烯外延生長更加精確的控制。

　　上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部和中國科學(xué)院的資助。