在國(guó)家重大專項(xiàng)“晶圓級(jí)石墨烯材料和器件基礎(chǔ)研究”等項(xiàng)目的支持下，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所石墨烯研究取得重要進(jìn)展。信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝曉明研究員領(lǐng)導(dǎo)的石墨烯研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單核控制形核和快速生長(zhǎng)，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(fā)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(zhǎng)是目前制備石墨烯薄膜的主要技術(shù)途徑，但由于無法實(shí)現(xiàn)單核控制，因而制備的薄膜一般為多晶，且生長(zhǎng)速度隨著時(shí)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(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間。微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)通過向具有一定溶碳能力的Cu85Ni15合金局域提供碳源，產(chǎn)生局部碳濃度過飽和，成功解決了石墨烯單個(gè)核心控制形核這一技術(shù)難題。研究發(fā)現(xiàn)，Cu85Ni15襯底上石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)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(nèi)的碳原子參與了表面的石墨烯反應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯單晶近乎線性生長(zhǎng)，速度高達(dá)180微米/分鐘。合作團(tuán)隊(duì)美國(guó)德州州立大學(xué)的于慶凱團(tuán)隊(duì)利用同位素方法驗(yàn)證了等溫析出這一石墨烯生長(zhǎng)新機(jī)理，香港理工大學(xué)的丁峰教授和華東師范大學(xué)的袁清紅博士聯(lián)合開展了第一性原理計(jì)算，進(jìn)一步解釋了Cu85Ni15合金襯底上石墨烯高速生長(zhǎng)的原因，同時(shí)對(duì)更高Ni含量合金襯底上石墨烯生長(zhǎng)速度下降的原因進(jìn)行了分析。

單晶硅是微電子技術(shù)發(fā)展的基石，而單晶石墨烯則是其在電子學(xué)領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的前提。通過單核控制制備晶圓級(jí)石墨烯可以視為是三維硅單晶技術(shù)在二維材料中的再現(xiàn)，對(duì)于推動(dòng)石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。本研究發(fā)展的控制形核技術(shù)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(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯單晶（左） 和 同位素技術(shù)對(duì)合金襯底上石墨烯生長(zhǎng)機(jī)理的分析（右）