最近，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部的成會(huì)明、任文才研究員帶領(lǐng)的石墨烯研究團(tuán)隊(duì)在大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的制備和無(wú)損轉(zhuǎn)移方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)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(qiáng)度等眾多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子學(xué)、自旋電子學(xué)、光電子學(xué)、太陽(yáng)能電池、傳感器等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)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(zhǎng)法和化學(xué)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(jí)到微米級(jí)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(huì)嚴(yán)重降低其質(zhì)量和性能，因此大尺寸單晶石墨烯的制備對(duì)于石墨烯基本物理性質(zhì)的研究及其在電子學(xué)等方面的應(yīng)用具有極其重要的意義。此外，對(duì)于在金屬基體上生長(zhǎng)的石墨烯，生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)其在不同領(lǐng)域應(yīng)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(huì)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(huì)顯著增加石墨烯的制備成本，尤其不適合化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)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(zhǎng)石墨烯的基礎(chǔ)上，提出采用貴金屬鉑作為生長(zhǎng)基體，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)尺寸六邊形單晶石墨烯的制備（圖1），并制備出由毫米級(jí)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(zhǎng)行為相似，鉑對(duì)甲烷和氫氣較強(qiáng)的催化裂解能力以及反應(yīng)中低濃度甲烷和高濃度氫氣的使用是實(shí)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(guān)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(yuǎn)小于銅、鎳基體上生長(zhǎng)的石墨烯的褶皺。他們與中科院大連化學(xué)物理研究所包信和研究團(tuán)隊(duì)合作，利用選區(qū)低能電子衍射和低能電子顯微鏡對(duì)單個(gè)石墨烯島進(jìn)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(shí)，他們還發(fā)明了一種基于電化學(xué)氣體插層的鼓泡無(wú)損轉(zhuǎn)移方法，可將鉑上生長(zhǎng)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(duì)石墨烯及鉑基體均無(wú)破壞和損耗，鉑基體可無(wú)限次重復(fù)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(wú)金屬雜質(zhì)殘留（圖3）。該鼓泡轉(zhuǎn)移方法操作簡(jiǎn)便、速度快、無(wú)污染，并且適于釕、銥等貴金屬以及銅、鎳等常用金屬上生長(zhǎng)的石墨烯的轉(zhuǎn)移，金屬基體可重復(fù)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(jìn)而與北京大學(xué)電子系的彭練矛研究團(tuán)隊(duì)合作，將轉(zhuǎn)移到Si/SiO₂基體上的單晶石墨烯制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管，測(cè)量出該單晶石墨烯室溫下的載流子遷移率可達(dá)7100cm²V^-1s^-1（圖4），并有望通過(guò)使用氮化硼基體得到進(jìn)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(fù)生長(zhǎng)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(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等的資助，已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)。

圖1 多晶鉑上生長(zhǎng)的毫米級(jí)單晶石墨烯及由其構(gòu)成的連續(xù)薄膜

圖2 基于電化學(xué)氣體插層的鼓泡無(wú)損轉(zhuǎn)移方法

圖3 多晶鉑上生長(zhǎng)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(yùn)特性