石墨烯作为一种典型的量子材料,不仅成为当今凝聚态物理领域的一个非常重要的研究方向,也同样引起国内外工业领域的高度重视。欧盟启动了石墨烯旗舰研究计划,美国、日本、韩国也都先后加大了石墨烯应用基础研究领域的投入力度。中国在各地石墨烯研究协会的基础上成立了石墨烯研究联盟。目前,全球与石墨烯材料和应用相关的各类公司有上万家。尽管石墨烯作为添加物在新能源、新材料等方面得以应用,但是在高端光电器件应用等方面依然进展不大,其核心瓶颈是难以获得大尺寸的石墨烯单晶。现有的大单晶石墨烯生长的方法生长速率普遍低于0.4 μm/s(微米/秒),需要花费几天的时间来生长出一片晶元级的样品。
刘开辉课题组利用CVD(气相沉积法)在1000oC左右热解甲烷气体,把多晶铜衬底上石墨烯单晶的生长速度提高了150倍,达到60μm/s。这项重要突破的核心是把多晶铜片放置于氧化物衬底上(两者之间的间隙约为15μm)。理论模拟计算证明,氧化物衬底能够为铜片表面提供连续的活性氧,显着地使甲烷分解势垒从1.57eV(电子伏特)降低到0.62eV,从而能够高效催化铜表面上的反应,提高石墨烯的生长速度。利用这种技术,他们能够在5秒钟内生长出300μm的石墨烯大单晶。该研究结果对于可控、高速生长出大单晶石墨烯提供了必要的科学依据,具有非常重要的科学意义和技术价值。
