2019年8月，新葡的京集團(tuán)3512vip副研究員宋也男課題組在二維材料單晶石墨烯生長領(lǐng)域發(fā)表重要研究成果。本研究通過利用不同氧濃度的銅基底上生長大面積石墨烯單晶，揭示氧在石墨烯生長動(dòng)力學(xué)過程中的雙重作用。以“Suitable Surface Oxygen Concentration on Copper Contributes to the Growth of Large Graphene Single Crystals”為題刊登于美國化學(xué)會(huì)（ACS）著名期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》(JPCL)。該文以華東師范大學(xué)為唯一完成單位，納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程研究中心（納光電中心）研究生武思宇為第一作者，宋也男副研究員與精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室袁清紅研究員為共同通訊作者，合作完成論文的發(fā)表。

圖1：新葡的京集團(tuán)3512vip副研究員宋也男、研究員袁清紅在納米材料生長領(lǐng)域發(fā)表重要進(jìn)展

石墨烯在光學(xué)、電學(xué)、自旋電子學(xué)、催化與傳感、能源與環(huán)境等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。然而，由于缺乏高質(zhì)量、大面積石墨烯單晶薄膜，其實(shí)際應(yīng)用受到限制。目前采用化學(xué)氣相沉積（CVD）在過渡金屬催化劑上生長石墨烯薄膜是生產(chǎn)高質(zhì)量、大面積石墨烯單晶薄膜最有前景的方法。金屬銅催化基底被廣泛應(yīng)用于石墨烯的生長，但它存在成核密度高、生長速度慢的缺點(diǎn)。近年來，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在銅基底上引入氧氣可以大幅提高石墨烯的生長速度，并同時(shí)降低成核密度，有利于優(yōu)質(zhì)大面積石墨烯單晶的生長。

圖2：氧濃度對(duì)單晶石墨烯尺寸的影響

課題組通過控制銅箔預(yù)氧化，對(duì)石墨烯單晶生長過程中氧的作用及生長機(jī)制進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)石墨烯在氧化銅箔上的生長行為受氧濃度的影響顯著。在含氧量較高的銅基底上生長的石墨烯，其晶粒尺寸遠(yuǎn)小于含氧量較低的銅基底上生長的石墨烯。通過適當(dāng)控制銅基底的氧化程度，可以在1050℃的生長溫度下獲得毫米級(jí)石墨烯單晶。本實(shí)驗(yàn)揭示了氧在石墨烯CVD生長中的雙重作用：（i）銅表面的氧活性劑有助于碳?xì)浠衔锴膀?qū)體的裂解，降低石墨烯的生長勢壘，從而提高石墨烯的生長速度和晶籌的粒徑；（ii）銅基底中的過量氧氣導(dǎo)致石墨烯邊緣的刻蝕，進(jìn)而抑制石墨烯的生長，進(jìn)而抑制石墨烯的生長。

圖3：銅氧化物表面石墨烯生長機(jī)理的圖解：（a）低氧濃度，（b）合適的氧濃度，和（c）高氧濃度

這項(xiàng)工作為選擇合適的氧化銅基底來獲得大面積單晶石墨烯提供了可靠的技術(shù)路線，其生長機(jī)理的深入研究為石墨烯單晶制備產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。以上工作得到學(xué)院青年教師培育基金，納光電中心主任基金和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。