2019年8月，5357cc拉斯维加斯副研究员宋也男课题组在二维材料单晶石墨烯生长领域发表重要研究成果。本研究通过利用不同氧浓度的铜基底上生长大面积石墨烯单晶，揭示氧在石墨烯生长动力学过程中的双重作用。以“Suitable Surface Oxygen Concentration on Copper Contributes to the Growth of Large Graphene Single Crystals”为题刊登于美国化学会（ACS）著名期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》(JPCL)。该文以5357cc拉斯维加斯为唯一完成单位，纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心（纳光电中心）研究生武思宇为第一作者，宋也男副研究员与精密光谱科学与技术国家重点实验室袁清红研究员为共同通讯作者，合作完成论文的发表。

图1：5357cc拉斯维加斯副研究员宋也男、研究员袁清红在纳米材料生长领域发表重要进展

石墨烯在光学、电学、自旋电子学、催化与传感、能源与环境等领域具有潜在的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。然而，由于缺乏高质量、大面积石墨烯单晶薄膜，其实际应用受到限制。目前采用化学气相沉积（CVD）在过渡金属催化剂上生长石墨烯薄膜是生产高质量、大面积石墨烯单晶薄膜最有前景的方法。金属铜催化基底被广泛应用于石墨烯的生长，但它存在成核密度高、生长速度慢的缺点。近年来，实验研究发现在铜基底上引入氧气可以大幅提高石墨烯的生长速度，并同时降低成核密度，有利于优质大面积石墨烯单晶的生长。

图2：氧浓度对单晶石墨烯尺寸的影响

课题组通过控制铜箔预氧化，对石墨烯单晶生长过程中氧的作用及生长机制进行探究，发现石墨烯在氧化铜箔上的生长行为受氧浓度的影响显著。在含氧量较高的铜基底上生长的石墨烯，其晶粒尺寸远小于含氧量较低的铜基底上生长的石墨烯。通过适当控制铜基底的氧化程度，可以在1050℃的生长温度下获得毫米级石墨烯单晶。本实验揭示了氧在石墨烯CVD生长中的双重作用：（i）铜表面的氧活性剂有助于碳氢化合物前驱体的裂解，降低石墨烯的生长势垒，从而提高石墨烯的生长速度和晶筹的粒径；（ii）铜基底中的过量氧气导致石墨烯边缘的刻蚀，进而抑制石墨烯的生长，进而抑制石墨烯的生长。

图3：铜氧化物表面石墨烯生长机理的图解：（a）低氧浓度，（b）合适的氧浓度，和（c）高氧浓度

这项工作为选择合适的氧化铜基底来获得大面积单晶石墨烯提供了可靠的技术路线，其生长机理的深入研究为石墨烯单晶制备产业化及其应用奠定基础。以上工作得到学院青年教师培育基金，纳光电中心主任基金和国家自然科学基金等项目资助。