在國家重大專項“晶圓級石墨烯材料和器件基礎研究”等項目的支持下，中科院上海微系統與信息技術研究所石墨烯研究取得重要進展。信息功能材料國家重點實驗室謝曉明研究員領導的石墨烯研究團隊在國際上首次實現石墨烯單核控制形核和快速生長，成功研制~1.5英寸石墨烯單晶，研究論文于2015年11月23日在Nature Materials上在線發表(T.R. Wu, et al, Fast growth of inch-sized single-crystalline graphene from a controlled single nucleus on Cu-Ni alloys, DOI: 10.1038/nmat4477 (2015)）。

銅表面催化生長是目前制備石墨烯薄膜的主要技術途徑，但由于無法實現單核控制，因而制備的薄膜一般為多晶，且生長速度隨著時間的推移逐漸變慢。此前銅襯底上制備的最大石墨烯單晶籌尺寸約為一厘米，且需要較長的生長時間。微系統所研究團隊通過向具有一定溶碳能力的Cu85Ni15合金局域提供碳源，產生局部碳濃度過飽和，成功解決了石墨烯單個核心控制形核這一技術難題。研究發現，Cu85Ni15襯底上石墨烯的生長機理為等溫析出，既不同于銅襯底上的表面催化，也不同于Ni襯底的冷卻析出。由于溶解在合金襯底內的碳原子參與了表面的石墨烯反應，導致石墨烯單晶近乎線性生長，速度高達180微米/分鐘。合作團隊美國德州州立大學的于慶凱團隊利用同位素方法驗證了等溫析出這一石墨烯生長新機理，香港理工大學的丁峰教授和華東師范大學的袁清紅博士聯合開展了第一性原理計算，進一步解釋了Cu85Ni15合金襯底上石墨烯高速生長的原因，同時對更高Ni含量合金襯底上石墨烯生長速度下降的原因進行了分析。

單晶硅是微電子技術發展的基石，而單晶石墨烯則是其在電子學領域規模化應用的前提。通過單核控制制備晶圓級石墨烯可以視為是三維硅單晶技術在二維材料中的再現，對于推動石墨烯在電子學領域的應用具有重要意義。本研究發展的控制形核技術也為探索其它二維材料單晶晶圓的制備提供了全新的思路。

Ni-Cu合金表面快速生長晶圓級石墨烯單晶（左） 和 同位素技術對合金襯底上石墨烯生長機理的分析（右）