中國科大石墨烯外延生長原子尺度的機理研究取得新進展

　　近日，中國科學技術大學教授李震宇研究組與中國科大同行合作，在石墨烯外延生長原子尺度的機理研究方面取得新進展，首次揭示出在不同銅襯底上碳-碳二聚體是石墨烯生長的主要碳供給單元，解釋了不同銅襯底上石墨烯生長中由不同的關鍵原子動力學過程所決定的微觀機理，并預測了銅表面石墨烯不同生長形態（分維型或密集型）間相變的轉變溫度。該研究成果發表在5月28日的《物理評論快報》上，中國科大博士后武平為論文第一作者。

　　利用化學氣相沉積法在銅襯底上外延生長石墨烯是目前廣泛采用的一種生長大面積、高質量單層石墨烯的方法。石墨烯樣品的質量取決于一些關鍵的生長參數，包括生長溫度、蒸氣壓、襯底形態和碳源等。揭示石墨烯外延生長的原子尺度機理，特別是其中各種動力學過程的相對重要性，對實現石墨烯非平衡生長的精確控制十分關鍵。不同的銅襯底中，因為（111）表面的幾何結構與石墨烯相似，而（100）表面在銅箔中分布最多，所以這兩種表面在石墨烯生長中廣受關注。實驗研究表明，在銅（111）表面石墨烯生長是擴散限制的，而在銅（100）表面是貼附限制的。當石墨烯島足夠大的時候，不同表面形成支鏈狀或樹枝狀的分維形態還是形成密集形態的行為也不一樣。迄今為止，對于這兩種襯底上差異明顯的生長行為的原子機理的理解仍然欠缺。甚至石墨烯成核生長過程中最基本的供給單元是碳單體，還是更大的碳聚合體，仍然沒有明確的結論。

　　針對這些問題，研究人員利用多尺度計算模擬方法，結合第一性原理計算、動力學蒙特卡羅模擬和速率方程分析，系統地對比研究了在銅（111）和（100）襯底上石墨烯的生長動力學。結果表明，在這兩種襯底上，碳-碳二聚體都比碳單體擴散快，并且更容易貼附到正在生長的石墨烯島邊緣。因此，在銅襯底上碳-碳二聚體是石墨烯生長的主要供給單元。此外，在銅（111）表面二聚體擴散能壘與貼附能壘相當，而在銅（100）表面貼附能壘遠大于擴散能壘，導致石墨烯生長行為分別表現出擴散限制和貼附限制的特征。同時，他們還研究了碳-碳二聚體在石墨烯島邊緣的擴散行為，進而揭示了不同銅襯底上石墨烯不同生長形態（分維型或密集型）的形成機理，并預測了兩種形態間相變的轉變溫度。該工作不僅為理解銅（111）和（100）襯底上石墨烯外延生長的原子機理提供了新思路，也有助于器件應用中石墨烯外延生長更加精確的控制。

　　上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部和中國科學院的資助。

碳單體、二聚體、三聚體在銅（111）和（100）襯底上擴散能壘（左）以及碳單體、二聚體在銅（111）襯底上石墨烯zigzag邊緣的貼附能壘（右）