在國家自然科學基金項目(項目編號：51522201，11327902)資助下，由俞大鵬院士領導的“納米結構與低維物理”研究團隊的劉開輝課題組在大單晶石墨烯的生長方面取得新的重要進展。研究成果于2016年11月7日以“Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continous oxygen supply(氧化物襯底輔助石墨烯單晶超快生長)”為題在Nature Nanotechnology發表。論文鏈接：http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n11/full/nnano.2016.132.html。

石墨烯作為一種典型的量子材料，不僅成為當今凝聚態物理領域的一個非常重要的研究方向，也同樣引起國內外工業領域的高度重視。歐盟啟動了石墨烯旗艦研究計劃，美國、日本、韓國也都先后加大了石墨烯應用基礎研究領域的投入力度。中國在各地石墨烯研究協會的基礎上成立了石墨烯研究聯盟。目前，全球與石墨烯材料和應用相關的各類公司有上萬家。盡管石墨烯作為添加物在新能源、新材料等方面得以應用，但是在高端光電器件應用等方面依然進展不大，其核心瓶頸是難以獲得大尺寸的石墨烯單晶。現有的大單晶石墨烯生長的方法生長速率普遍低于0.4 μm/s(微米/秒)，需要花費幾天的時間來生長出一片晶元級的樣品。

劉開輝課題組利用CVD(氣相沉積法)在1000oC左右熱解甲烷氣體，把多晶銅襯底上石墨烯單晶的生長速度提高了150倍，達到60μm/s。這項重要突破的核心是把多晶銅片放置于氧化物襯底上(兩者之間的間隙約為15μm)。理論模擬計算證明，氧化物襯底能夠為銅片表面提供連續的活性氧，顯著地使甲烷分解勢壘從1.57eV(電子伏特)降低到0.62eV，從而能夠高效催化銅表面上的反應，提高石墨烯的生長速度。利用這種技術，他們能夠在5秒鐘內生長出300μm的石墨烯大單晶。該研究結果對于可控、高速生長出大單晶石墨烯提供了必要的科學依據，具有非常重要的科學意義和技術價值。

左圖：氧化物襯底輔助石墨烯單晶超快生長的設計及實驗結果(石墨烯單晶的生長速度為60 μm/s);右圖：與已有的石墨烯生長速度相比，該研究工作把石墨烯單晶的生長速度提高了150倍。