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  成功制备毫米级高度有序的、连续的、单晶的Graphene  
 

Graphene(石墨单层材料)是由单层sp2碳原子组成的六方蜂巢状二维结构,由英国科学家于2004年首次报道。它可以包裹起来形成零维的富勒烯,卷起来形成一维的纳米碳管,层层堆积形成三维的石墨。Graphene自发现以来短时间内即在国外成为研究的热点。自2004年10月Science杂志发表第一篇有关Graphene的工作报道以后,发表在Science和Nature系列上的相关论文就超过了80篇;其中在2008一年之内,相关结果发表在Science和Nature系列上有30多篇。毋庸置疑,Graphene是继纳米碳管、富勒烯球后的又一重大发现,它具有众多优良的物理特性、有可能为实验验证一些过去不能验证的物理规律提供可能性,并可能蕴含重大应用前景。

Graphene的广泛研究是基于其单层样品的成功制备。过去几年典型的制备方法主要有两种:机械剥离天然石墨和SiC单晶外延。基于机械剥离方法制成的样品,Graphene的室温Quantum Hall Effect,无质量Dirac fermion型载流子,高达200,000 cm2/V?s的迁移率等新奇物性相继被发现;机械谐振器、单电子器件、p-n结等器件原型也被制备出。但是,这种方法固有的低效率高成本,加上天然石墨本身不是完善的单晶结构,其晶粒尺寸通常在几个微米以下,导致它不能应用于Graphene样品的大量制备,不能反映理想Graphene的本征物性。高温分解SiC单晶法外延Graphene是另一种重要方法,这种方法效率较高,但样品存在大量的缺陷。获得高质量、大尺寸的单晶Graphene材料,对关于Graphene 本征物理特性的基础研究及其在未来器件中的应用,具有强烈的挑战性和重要的科学与技术上的意义。

近年来,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室高鸿钧研究组在低维纳米量子结构的探索方面开展了系统的研究工作。在高质量单晶Graphene薄膜的生长制备方面,他们发现含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层Graphene薄膜。其初步结果于2007年报道(Chin. Phys. 2007, 16, 3151), 是国际上最早使用该方法制备Graphene 薄膜的两个研究组之一,得到国际同行的关注。最近,该研究组博士生潘毅等人通过优化生长条件获得了理想的毫米级外延Graphene二维单晶材料,并以详尽的实验与理论研究对此进行了证实。低能电子衍射(LEED)结果证实了Graphene样品的毫米级的高度有序性。扫描隧道显微镜的研究结果表明Graphene在衬底表面形成六角排布Moire超结构,高分辨的图显示了这种超结构原胞内每个原子的位置, 并且证实了Graphene薄膜沿衬底台阶的连续性生长。这种高质量的Graphene二维量子结构的获得是我国科学家在该研究领域中独具特色的工作,为Graphene 基础问题的深入研究及其进一步在器件方面的应用提供了一种新方法和理想体系。相关结果发表在2008年12月30 日的Adv. Mater. 上。 这项工作得到了国家自然科学基金,“973”项目和中国科学院的支持。

 
     
  相关链接:  
 

       1. Highly Ordered, Millimeter-Scale, Continuous, Single-Crystalline Graphene Monolayer Formed on Ru (0001)

 
     
 

 

 
 
     

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