优质石墨具有优异的机械强度、热稳定性、高柔韧性和极高的面内导热性和导电性，使其成为众多应用领域（例如用作手机电池的光热导体）最重要的先进材料之一。例如，一种特殊的石墨——高定向热解石墨（HOPG）——是实验室中最常用的材料之一。这些优异的性能归功于石墨的层状结构：石墨烯层中碳原子之间强大的共价键赋予了石墨优异的机械性能、导热性和导电性，而石墨烯层之间的相互作用又非常弱，从而赋予了石墨极高的柔韧性。尽管石墨在自然界中被发现已有1000多年的历史，其人工合成的研究也已超过100年，但无论是天然石墨还是合成石墨，其质量都远未达到理想水平。例如，石墨材料中最大的单晶石墨畴的尺寸通常小于1毫米，这与许多晶体（如石英单晶和硅单晶）的尺寸形成鲜明对比，后者的尺寸可达米级。单晶石墨尺寸如此之小是由于石墨层间相互作用较弱，且在生长过程中难以保持石墨烯层的平整度，因此石墨容易破碎成多个无序的单晶晶界。为了解决这一关键问题，蔚山科学技术大学（UNIST）名誉教授及其合作者刘凯辉教授、北京大学王恩戈教授等人提出了一种合成薄至英寸级石墨单晶薄膜的策略。他们的方法以单晶镍箔为衬底，通过“等温溶解-扩散-沉积工艺”从镍箔背面输送碳原子。他们没有使用气态纸板作为石墨源，而是选择固体碳材料来促进石墨生长。这种新策略使得在几天内制备厚度约为1英寸35微米（即超过10万层石墨烯）的单晶石墨薄膜成为可能。与所有现有的石墨样品相比，单晶石墨具有~2880 W m-1K-1的热导率、极低的杂质含量以及最小的层间距。(1) 成功合成大尺寸单晶镍薄膜作为超平整的衬底，避免了合成石墨的无序化；(2) 10万层石墨烯在约100小时内等温生长，因此每一层石墨烯都在相同的化学环境和温度下合成，从而保证了石墨质量的均匀性。 （3）通过镍箔背面持续供应碳，使得石墨烯层能够以非常高的速度持续生长，大约每五秒钟生长一层。”
发布时间：2022年11月9日