在一個受控的環境中，石墨烯晶體生長速度最快的方向會超過其他晶體，並將“進化選擇”變成單晶，即使是在多晶硅襯底上，也不需要與基質的取向相匹配。一個橡樹嶺國家實驗室領導的團隊開發出了一種新的方法，它能產生一種超過一英尺長的單層晶體狀石墨烯薄膜。
在田納西州橡樹嶺。2018年3月12日——一種新方法制造出一種大型單層晶體狀石墨烯薄膜，其長度超過1英尺，依靠的是在晶體中利用“最適生存”的競爭。由美國能源部橡樹嶺國家實驗室領導的一個小組開發的這項新技術，可能會為培養人們期待已久的實際應用所需的高質量的二維材料提供新的機會。
為了研究目的而製造薄層石墨烯和其他二維材料是很常見的，但它們必須在更大的規模上製造才能發揮作用。
石墨烯被認為具有前所未有的強度和高電導率的潛力，並且可以通過眾所周知的方法來實現:將石墨烯薄片(在鉛筆中發現的硅質軟質材料)分離成一個原子層，或者在一個氣態前體的催化劑上將其原子從氣態的前體中生長出來，直到形成超薄層。
由ornl領導的研究小組使用後一種方法，即化學氣相沉積法，但採用了一種扭轉方法。在《自然材料》(Nature Materials)上發表的一篇研究報告中，他們解釋了CVD過程的局部控制是如何在最佳條件下允許進化或自我選擇生長的，產生了一個巨大的、單晶狀的石墨烯薄片。
ORNL的首席合著者Ivan Vlassiouk說:“大型單晶的機械強度更高，電導率也更高。”“這是因為在多晶石墨烯中單個域之間的相互連接所產生的缺點被消除了。
他補充說:“我們的方法不僅是提高單晶石墨烯大規模生產的關鍵，也可能是其他2D材料的關鍵，這對於他們的大規模應用是必要的。
就像傳統的CVD生產石墨烯的方法一樣，研究人員將碳氫化合物前體分子的混合物噴射到金屬的多晶箔上。然而，他們小心地控制了碳氫化合物分子的局部沉積，將它們直接帶到正在出現的石墨烯薄膜的邊緣。當底物移動到下面時，碳原子不斷地聚集成一個石墨烯的單晶，長達一英尺。
coauthor和新墨西哥州立大學教授Sergei Smirnov說:“不受阻礙的單晶型石墨烯的生長几乎可以持續下去，就像在這裡展示的一卷一卷和一英尺長的樣品一樣。”
當碳氫化合物接觸到熱的催化劑箔時，它們形成了碳原子簇，隨著時間的推移，這些碳原子會在更大的範圍內生長，直到凝聚到整個基體上。該研究小組先前發現，在足夠高的溫度下，石墨烯的碳原子與基體的原子沒有關聯，或鏡像，從而允許非外延晶體生長。
由於氣體混合物的濃度對單晶生長的速度有很大的影響，所以在單層石墨烯晶體的現有邊緣附近提供碳氫化合物前體，可以比新簇的形成更有效地促進其生長。
Smirnov說:“在這樣一個受控的環境中，石墨烯晶體生長速度最快的方向會超過其他晶體，並將‘進化選擇’變成單個晶體，即使是在多晶硅基體上，也不需要與基體的方向相匹配，這通常發生在標準外延生長的情況下。”
他們發現，為了確保最優的增長，有必要創造一個“風”來幫助消除集群的形成。Vlassiouk說:“我們必須創造一個環境，在這個環境中，在生長前形成新的星群，完全被抑制了，而大的石墨烯晶體的生長邊緣也沒有受到阻礙。”“然後，只有到那時，當基質移動時，沒有什麼能阻擋‘適者生存’的晶體生長。
由合著者萊斯大學教授Boris Yakobson領導的團隊的理論學家們提供了一個模型，解釋了哪些水晶方向具有獨特的特性，使它們在生存的過程中成為最適合的，以及為什麼優勝者的選擇可能依賴於基質和前體。
如果石墨烯或任何二維材料都能達到工業規模，這種方法將是關鍵的，類似於Czochralski的硅方法。”Yakobson說。製造商們可以放心，當一個大的，晶片大小的原始層被切割成任何設備製造時，每一件成品都將是一個高質量的單晶。這個潛在的巨大的、影響深遠的角色激勵著我們去探索儘可能清晰的理論原則。
使用該小組的方法實際擴大石墨烯的規模還有待觀察，但研究人員相信，他們的進化選擇單晶生長方法也可以應用於有前景的替代2D材料，如氮化硼，也被稱為“白色石墨烯”和二硫化鉬。
其實自從石墨烯被發現以來，國內對石墨烯也是投入l大量的研究。其中都是在實驗室有不錯的成果，但是在其產品的真正產業化還有一段路要走。其中不乏重慶元石盛石墨烯公司，據說他們建成了專業的薄膜生產線，通過液相法制備的石墨烯，很輕易的將石墨烯塗抹到基底膜上，可以大規模的生產各種功能膜。
該研究由ORNL的實驗室指導研發項目，ORNL的技術轉讓專利技術創新項目，以及能源部的高級研究項目機構-能源支持。顯微鏡工作是作為流體界面反應的一部分，結構和運輸中心，一個能源前沿研究中心。這項工作還利用了ORNL 's Center for Nanophase Materials Sciences，美國能源部科學用戶設施辦公室。
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