在金属基底上含碳前驱体的化学气相沉积是目前大规模合成大面积高质量石墨烯薄膜最有前景的方法。然而，所得到的薄膜中通常存在一些缺陷：晶界、有附加层的区域(附着层)以及褶皱或折叠，所有这些都会降低石墨烯在各种应用中的性能。关于消除晶界和附着层的方法已有许多研究，但对石墨烯褶皱的研究较少。在这里，我们研究了由乙烯前体在单晶Cu-Ni(111)薄片上生长的石墨烯薄膜的褶皱/折叠过程。我们确定了一个临界生长温度(1030 K)，超过这个温度，在随后的冷却过程中将自然形成褶皱。具体而言，在冷却过程中由于热收缩而积累的压应力通过在温度约1030 K时箔片中突然开始的阶跃聚束而释放，从而触发垂直于阶跃边缘方向的石墨烯褶皱的形成。通过将初始生长温度限制在1000 K至1030 K之间，我们可以生产出高质量且无褶皱的大面积单晶单层石墨烯薄膜。得到的薄膜表现出高度均匀的传输特性：由这些薄膜制备的场效应晶体管显示出空穴和电子在平均室温时载流子迁移率约为(7.0±1.0)×10³平方厘米每伏特每秒。该过程也是可扩展的，允许在平行堆叠的多个薄片上同时生长相同质量的石墨烯。在将石墨烯薄膜从薄片上电化学转移后，薄片本身基本上可以无限地重复使用，以进一步生成石墨烯。
 
 
图1. 通过循环实验研究石墨烯褶皱形成的机理。a–c,在不同的中间温度循环实验后Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM图像：(a)920 K、(b)1020 K和(c)1120 K。d, 1320 K时石墨烯生长后立即冷却至1020 K并稳定10分钟，Cu(111)箔上石墨烯薄膜的SEM图像，但没有重新加热至生长温度以进行再生。右上角区域显示残余褶皱放大的SEM图像。比例尺，1μm。e,褶皱的可能机制示意图。
 
 
图2. 褶皱演化是生长温度的函数。a–c,在镍含量为20.0 %的Cu–Ni (111)合金箔上不同温度下生长的无附加层石墨烯的SEM图像: (a)1320 K、(b)1170 K和(c)1030 K。d–f,对应石墨烯薄膜的AFM高度图像。右上角区域显示了图d–f中标记的区域从−10.0°至10°的有关AFM的相位图像。g, 在不同温度下Cu–Ni(111)合金箔上生长的石墨烯薄膜获得的G-带与2D-带频率曲线图。蓝点标记为0.0%(频率ω_G在1582 cm^-1，ω_2D在2692 cm^-1)是文献中报告的无应变和无掺杂SLG的值。斜率为2.7的虚线表示双轴应变ε下的电中性石墨烯，∆ω_G/∆ε=−56 cm^-1/%应变， ∆ω_2D/∆ε=−155 cm^-1/%应变。
 
 
图3. 无褶皱石墨烯薄膜的特性。a, b,在Cu–Ni(111)合金箔上生长的无褶皱无叠层石墨烯薄膜然后转移到300 nm厚的SiO₂-on-Si晶片上的(a)光学图像和(b)I_D/I_G强度比的拉曼图。c,拉曼光谱图取自b中标记为1–6的点。d, SLG无褶皱薄膜的原子分辨率TEM图像。e,Cu–Ni(111)箔上无褶皱石墨烯薄膜的LEED图（光束尺寸为1.8mm）。f, 200 SAED的方向分布直方图。g,一个6英寸（15 cm）石英管CVD炉膛，用于评估单晶Cu–Ni(111)合金箔上单晶无褶皱石墨烯薄膜的规模生产。h,将五片4cm×7cm Cu–Ni(111)合金箔悬挂在石英支架上。i,在g图中6英寸CVD系统里生长然后转移到4英寸（10 cm）SiO₂-on-Si晶片上（薄膜为较暗的矩形）的4cm×7cm无褶皱单晶石墨烯薄膜的照片。
 
  
图4. 无褶皱石墨烯薄膜的传输特性。a–c,典型I_DS与V_G-V_Dirac用GFETs从三个不同角度测量的传输特性，(a)−120°、(b)0°和(c)120°，在随机方向上选择0°。右侧插图显示了R_tot与V_G-V_Dirac的结果，蓝线和红线分别为电压在−2.0到0.0 V范围内和0.0到2.0V范围内，使用已报导的迁移率拟合模型的拟合。顶部图像是GFET设备的照片。d, 从GFETs中导出迁移率平均值，每种情况下从10个设备中取平均值。
 
        相关研究成果由韩国蔚山基础科学研究所多维碳材料中心Meihui Wang等人于2021年发表在Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-021-03753-3)上。原文：Single-crystal, large-area, fold-free monolayer graphene。

转自《石墨烯研究》公众号