受到2010年諾貝爾物理學獎的激發，石墨烯作為一種典型的量子材料不僅成為當今凝聚态物理領域的一個非常重要的研究方向，也同樣引起國内外工業領域的高度重視：歐盟啟動了石墨烯旗艦研究計劃，美國、日本、韓國也都先後加大了石墨烯應用基礎研究領域的投入力度。中國在各地石墨烯研究協會的基礎上成立了石墨烯研究聯盟。目前，全球與石墨烯材料和應用相關的各類公司有上萬家。盡管石墨烯作為添加物在新能源、新材料等方面得以應用，但是在光電器件等應用方面依然進展不大，其核心瓶頸是難以獲得大尺寸的石墨烯單晶。現有的大單晶石墨烯生長的方法生長速率普遍低于0.4 μm/s，需要花費幾天的時間來生長出一片晶元級的樣品。
最近，由俞大鵬院士領導的 “納米結構與低維物理”研究團隊的青年千人劉開輝研究員等在大單晶石墨烯的生長方面取得新的重要進展。王恩哥院士也直接參與了該研究項目并且給予了大力的支持。劉開輝研究員帶領研究生與合作者們一起，利用CVD方法在1000 oC左右熱解甲烷氣體，把多晶銅襯底上石墨烯單晶的生長速度提高了150倍，達到60 μm/s。這項重大突破的核心是把多晶銅片放置于氧化物襯底上（兩者之間的間隙∼15 μm）。理論模拟計算證明，氧化物襯底能夠為銅片表面提供連續的活性氧，顯著降低了甲烷分解的勢壘（從1.57eV降低到0.62eV），從而能夠高效催化銅表面上的反應，提高石墨烯的生長速度。利用這種技術，他們能夠在5秒鐘内生長出300 μm的石墨烯大單晶疇。該研究結果對于可控、高速生長出更大尺寸的石墨烯單晶提供了必要的科學依據，因而具有非常重大的科學意義和技術價值。
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| 左圖：Growth of graphene on Cu foils assisted by a continuous oxygen supply。石墨烯單疇的生長速度為60 μm/s；右圖：與已有的石墨烯生長速度相比，該研究工作把石墨烯單晶的生長速度提高了150倍。 |
該研究成果于2016年8月8日在線發表在Nature Nanotechnology上（論文鍊接:Nature Nanotechnology | Advance Online Publication | www.nature.com/naturenanotechnology /DOI: 10.1038/NNANO.2016.132）。博士研究生徐小志為論文第一作者，劉開輝研究員、丁峰教授、彭海琳教授為共同通訊作者；合作單位有香港理工大學、武漢大學和南方科技大學。該研究成果得到了基金委優青項目、重點項目與科技部相關項目的資助; 同時，研究工作也得到了“量子物質科學協同創新中心”（2011計劃）、介觀物理國家重點實驗室、beat365電子顯微鏡實驗室等的大力支持。
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