采用新的CVD法，向薄膜边缘提供碳氢化合物分子，制备单层单晶石墨烯。

图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室Andy Sproles。

自石墨烯被发现以来，各种制备方法层出不穷，科研人员发现一种制备一英尺长的单层石墨烯薄膜的新方法，这种方法依赖于晶体中“适者生存”的竞争关系。这一新技术，由美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究团队开发，可以生长高质量的二维(2D)材料，这为新材料期待已久的实际应用打开了大门。

科研人员为了研究，经常制作石墨烯层和其他二维材料，但是为了实际应用，要求我们必须在更大的范围内进行制造。

石墨烯因其前所未有的强度和高导电性而备受推崇，它可以通过几个著名的方法来实现：采用物理方式从大块石墨中提取单个石墨薄片，或者在气态前驱物的催化剂上以原子方式来生长。

橡树岭国家实验室的研究团队使用了第二种方法，这种方法被称为化学气相沉积(CVD)。在《自然材料》上发表的一篇论文中，他们解释了CVD过程中，通过局部控制如何来生长石墨烯，最后他们制备出一个大的单晶体石墨烯薄片。

“大的单晶具有更强大的机械性能以及更高的导电性，”橡树岭国家实验室的合著者Ivan Vlassiouk说。产生这样的结果是因为在多晶石墨烯的单个域之间，互连所产生的弱点被消除了。我们的方法不仅提高了单晶石墨烯大规模生产，而且这种方法对于其他二维材料也非常关键，我们所做的是大规模应用的必要条件。

与传统的CVD法生产石墨烯类似，研究人员将碳氢化合物前体分子混合物喷到金属、多晶箔上。这个过程中，他们小心地控制了碳氢化合物分子的局部沉积，将它们直接提供给新生长的石墨烯薄膜边缘。当衬底移动到下面时，碳原子连续地组装成一个直径为一英尺的石墨烯单晶。

“单晶石墨烯几乎可以无拘无束的生长，这为我们展示了超长的石墨烯样品，”新墨西哥州立大学教授Sergei Smirnov说。

由于烃类降落在热催化剂箔上，它们形成的碳原子在不断成长为更大的薄膜，直到凝聚覆盖整个衬底。研究小组先前发现，在足够高的温度下，石墨烯的碳原子没有与衬底的原子相关联或镜像，从而允许非外延晶体生长。

于气体混合物的浓度强烈地影响单晶的生长速度，在现有的单一石墨烯晶体的边缘附近提供碳氢化合物前驱体，从而促进薄膜生长，这并不会形成新的团簇。

“在这样一个受控制的环境中，石墨烯的晶体取向逐渐趋向一致，得到“选择进化”，成为一个晶体，即使在多晶基板上，也不需匹配衬底的取向，这通常发生在标准的外延生长过程中，” Smirnov说。

这个研究小组发现，为了确保最佳的增长，有必要制造出“风”，这有助于消除集群的形成。这是我们必须创造的环境，新的集群形成在增长前被完全抑制，并不会阻碍刚刚生长的石墨烯晶体边缘扩张，Vlassiouk说。只有这样，当基质运动时，就没有什么能阻挡“最适宜的”晶体生长。

研究团队的理论家，莱斯大学教授Boris Yakobson，提供了一个模型来解释石墨烯薄膜的晶体取向，使他们具备优胜劣汰的生存特性。该模型还表明，获胜者的选择可能取决于衬底和前体。

“石墨烯或其它二维材料的不断进步与这种新方法将是密不可分的，类似于硅的Czochralski法制备。”Yakobson说。制造商完全可以放心，当一个大的，晶圆大小的原始层被切断，得到的每一个部分都是一个优质单晶。这一潜在的作用，促使我们尽可能清晰的探索其中的理论”

使用团队的方法实际扩大石墨烯生产还有待观察。但是研究人员相信他们的进化选择，单晶生长方法也可以应用于其他2D材料，如被称为“白色石墨烯”的氮化硼和二硫化钼。