适合石墨烯，六方硼氮石墨烯化学气相沉积法生长的合金催化剂的理论设计

Controllable synthesis of high quality and large area graphene is an important premise of realizing industrial applications of graphene. Chemical vapor deposition (CVD) based on transition metal catalyst is the most likely method to achieve the goal, while most graphene synthesized by CVD is still far below expectations. One of the main reason is that the catalytic substrate used in the CVD process has its advantages and disadvantages, and a metal substrate combining all the advantages of the catalyst substrates is not available. In this project, the first principle theoretical calculations combined with the growth theory of two-dimensional crystal will be used to study the growth mechanism of graphene and hexagonal boron-nitride on alloy catalyst substrate. The most optimum alloy catalyst will be designed to synthesize high quality and large area graphene using theoretical calculations, and the theoretical design will be verified by the cooperated experimental work. The success of the project will reveal the special mechanism of graphene and hexagonal boron-nitride growth on alloy substrate, guiding the experimentalists to synthesize high quality and large area graphene and hexagonal boron-nitride, as well as some other two-dimensional nanomaterials.

高质量、大面积石墨烯的可控制备是实现其工业化应用的重要前提。基于过渡金属催化的化学气相沉积（CVD）法是已知方法中最可能实现高质量、大面积石墨烯合成的方法。目前CVD方法合成的石墨烯质量仍低于人们的期望值，其中一个主要的原因是CVD过程中用到的金属催化剂各有其优缺点，综合所有优势的催化剂衬底还不具备。本项目将采用第一性原理的理论计算，结合二维晶体生长理论，重点研究石墨烯及六方硼氮石墨烯在合金催化剂衬底上的生长机理，实现从理论上设计出适合大面积、高质量石墨烯及六方硼氮石墨烯合成的优质合金催化剂，并通过与实验工作者合作来验证理论结果。该项目的成功不仅可以揭示合金催化剂催化石墨烯和六方硼氮石墨烯生长的机理，并且可以指导实验利用合金催化剂来可控制备大面积高质量石墨烯、六方硼氮石墨烯以及其他各种新型二维材料。

高质量、大面积石墨烯的可控制备是实现其工业化应用的重要前提。基于过渡金属催化的化学气相沉积（CVD）法是已知方法中最可能实现高质量、大面积石墨烯合成的方法。目前CVD方法合成的石墨烯质量仍低于人们的期望值，其中一个主要的原因是CVD过程中用到的金属催化剂各有其优缺点，综合所有优势的催化剂衬底还不具备。本项目采用第一性原理的理论计算，结合二维晶体生长理论，重点研究了石墨烯及六方硼氮石墨烯在合金催化剂衬底上的生长机理。通过对比不同合金比率的CuxNi1-x合金表面的碳源分解速度，碳原子在金属表面和块体内部的迁移速度，以及石墨烯的成核速率等因素，我们提出Cu85Ni15合金催化剂是实现大面积高质量石墨烯最好的CuNi合金催化剂。同时，Cu85Ni15也是适合大面积单晶六方氮化硼生长的优良催化剂。除了CuNi合金外，我们还考察了石墨烯在其它合金表面的生长行为。通过对比碳原子在PtxCu1-x和PtxNi1-x合金催化剂表面和体相内的形成能，发现石墨烯在Pt0.5Cu0.5和Pt0.5Ni0.5的合金表面有望实现等温偏析，从而生长出高质量的单晶石墨烯。此外，我们还发现Fe2B合金是实现高质量多层h-BN生长的优良合金催化剂，并揭示了其关键生长机制是B和N原子在B空穴的协助下能够在合金的体相内实现快速迁移。基于理论研究结果，我们与实验合作，揭示了石墨烯在Cu85Ni15表面的超快生长速度和低成核密度同时实现的本质原因。同时，我们也与实验一起揭示了Fe2B合金表面高质量多层h-BN生长的机制。该项目的成功不仅揭示了合金催化剂催化石墨烯和六方硼氮石墨烯生长的机理，有望指导实验利用合金催化剂来可控制备大面积高质量石墨烯、六方硼氮石墨烯以及其它各种新型二维材料。