石墨烯，尤其是石墨烯單晶，具有很多獨特的性質，如極高的本征載流子遷移率、極大的熱導率、超高的硬度和優異的透光性，因而被廣泛應用于光電器件領域，是一種明星材料。石墨烯的性能能否達到預期并在未來器件領域中大展身手，關鍵在于高效制備高質量的石墨烯單晶。在過去幾年中，關于石墨烯單晶制備方法的報道層出不窮，各展異彩。
最近，武漢大學付磊教授課題組通過化學氣相沉積法（CVD）在液態銅上實現了石墨烯大單晶的快速生長，其最快生長速率高達79 μm s?1，刷新了目前關于石墨烯快速生長的記錄。該工作發表在Science China Materials 上。
液態金屬是理想的石墨烯生長天然基底，可同時實現石墨烯的低密度成核和快速生長。液態金屬催化劑具有準原子級平滑表面、高擴散速率，可避免固態金屬基底固有的缺陷和晶界。液態銅中豐富的自由電子可以加快石墨烯的成核速度，促使石墨烯秒速成核。同時，各向同性的平滑表面大大抑制了石墨烯的成核密度。此外，由于液態銅具有優異的流動性，加速了碳原子在基底表面的傳質，進一步促進了石墨烯的快速生長。
石墨烯在液態銅表面的成核與生長
付磊教授課題組對石墨烯在固態銅和液態銅上的成核和生長行為進行了系統地研究。與固態銅相比，石墨烯在液態銅上的成核密度大大降低，對應的成核活化能也顯著減小。生長速率對比表明，石墨烯在液態銅上的生長速率比在固態銅上的生長速率高近兩個數量級。利用碳同位素標記拉曼光譜和飛行時間二次離子質譜追蹤液態銅中碳原子的分布情況，探究液態銅體系中石墨烯的生長動力學。
研究發現，13C和12C原子在每個石墨烯單晶中呈現出均勻混合的狀態。與固態銅中極低的碳溶量相比，液態銅中碳溶量更高，說明液態銅具有很好的容納碳的能力。故而，與在固態銅體系中的表面吸附生長模式不同，石墨烯在液態銅上的生長模式是表面吸附生長和體相溶解偏析共存的雙元生長模式，這極大地提高了石墨烯的生長速率。這種特殊的雙元生長模式得益于液態銅中含有豐富的空位，可以包埋大量的異質碳原子。
液態銅體系中石墨烯生長速率的研究既能豐富研究者們對液態金屬上二維材料生長行為的認知，也為其他二維材料的生長提供理論借鑒。相信未來利用液態金屬實現石墨烯快速生長的策略將擴展到各種二維材料，促進其在未來光電以及電學器件領域的應用。
參考文獻：
Insight into the rapid growth of graphene single crystals on liquid metal via chemical vapor deposition, Science China Materials, 2019.
https://doi.org/10.1007/s40843-019-9406-7
