最近，金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料研究部的成會明、任文才研究員帶領的石墨烯研究團隊在大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的制備和無損轉(zhuǎn)移方面取得重要進展。相關論文于2月28日在《自然—通訊》上在線發(fā)表（Nature Communications, 2012, DOI: 10.1038/ncomms1702）。

作為單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，石墨烯具有極高的載流子遷移率、高透光性、高強度等眾多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在電子學、自旋電子學、光電子學、太陽能電池、傳感器等領域有著重要的潛在應用。目前制備高質(zhì)量石墨烯的方法主要有膠帶剝離法、碳化硅或金屬表面外延生長法和化學氣相沉積法（CVD），前兩種方法效率低，不適于大量制備，而迄今由CVD法制備的石墨烯一般是由納米級到微米級尺寸的石墨烯晶疇拼接而成的多晶材料。石墨烯中晶界的存在會嚴重降低其質(zhì)量和性能，因此大尺寸單晶石墨烯的制備對于石墨烯基本物理性質(zhì)的研究及其在電子學等方面的應用具有極其重要的意義。此外，對于在金屬基體上生長的石墨烯，生長后能否高質(zhì)量地將石墨烯從金屬基體轉(zhuǎn)移到其它基體上是實現(xiàn)其在不同領域應用的前提。但現(xiàn)有轉(zhuǎn)移方法大多是將金屬基體腐蝕掉，不僅會造成石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞、基體金屬的殘存和環(huán)境污染，而且會顯著增加石墨烯的制備成本，尤其不適合化學穩(wěn)定性強的貴金屬上石墨烯的轉(zhuǎn)移。

金屬所科研人員在前期常壓CVD方法生長石墨烯的基礎上，提出采用貴金屬鉑作為生長基體，實現(xiàn)了毫米級尺寸六邊形單晶石墨烯的制備（圖1），并制備出由毫米級單晶石墨烯構(gòu)成的石墨烯薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，多晶鉑和單晶鉑上石墨烯的生長行為相似，鉑對甲烷和氫氣較強的催化裂解能力以及反應中低濃度甲烷和高濃度氫氣的使用是實現(xiàn)石墨烯低成核密度并最終制備出大尺寸單晶石墨烯的關鍵。由于石墨烯與鉑基體熱膨脹系數(shù)差別小，所得石墨烯上褶皺的平均高度僅為0.8納米，遠小于銅、鎳基體上生長的石墨烯的褶皺。他們與中科院大連化學物理研究所包信和研究團隊合作，利用選區(qū)低能電子衍射和低能電子顯微鏡對單個石墨烯島進行了表征，發(fā)現(xiàn)具有規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)的石墨烯島均為單晶，而邊界處有凹角存在的石墨烯島多為多晶結(jié)構(gòu)。

與此同時，他們還發(fā)明了一種基于電化學氣體插層的鼓泡無損轉(zhuǎn)移方法，可將鉑上生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到任意基體上（圖2）。與現(xiàn)有基于基體腐蝕的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法不同，該轉(zhuǎn)移方法對石墨烯及鉑基體均無破壞和損耗，鉑基體可無限次重復使用。轉(zhuǎn)移后的石墨烯完整保留了其原有的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，無金屬雜質(zhì)殘留（圖3）。該鼓泡轉(zhuǎn)移方法操作簡便、速度快、無污染，并且適于釕、銥等貴金屬以及銅、鎳等常用金屬上生長的石墨烯的轉(zhuǎn)移，金屬基體可重復使用，可作為一種低成本、快速轉(zhuǎn)移高質(zhì)量石墨烯的普適方法。拉曼光譜研究表明，該方法轉(zhuǎn)移的單晶石墨烯具有很高的質(zhì)量（圖4）。他們進而與北京大學電子系的彭練矛研究團隊合作，將轉(zhuǎn)移到Si/SiO₂基體上的單晶石墨烯制成場效應晶體管，測量出該單晶石墨烯室溫下的載流子遷移率可達7100cm²V^-1s^-1（圖4），并有望通過使用氮化硼基體得到進一步提高。

金屬基體上大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的多次重復生長為石墨烯基本物性的研究及其在高性能納電子器件、透明導電薄膜等領域的實際應用奠定了材料基礎。該成果得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院等的資助，已申請中國發(fā)明專利2項。

圖1 多晶鉑上生長的毫米級單晶石墨烯及由其構(gòu)成的連續(xù)薄膜

圖2 基于電化學氣體插層的鼓泡無損轉(zhuǎn)移方法

圖3 多晶鉑上生長及轉(zhuǎn)移到Si/SiO₂基體上的六邊形單晶石墨烯

圖4 六邊形單晶石墨烯的拉曼光譜及其電輸運特性