大面积单晶石墨烯及理想石墨烯纳米条带生长机理的多尺度理论研究

Large-area production of single-crystalline graphene and fabrication of ideal graphene nanoribbons (GNRs) are widely recognized to be standing challenges in fundamental and applied studies of graphene. How to experimentally realize low-temperature and large-area fabrication of single-crystalline graphene, and synthesize ultra-narrow GNRs with controllable edges, calls for major advances in related theoretical studies. Using first-principles based multi-scale modeling approaches, we propose to study the atomic-scale growth mechanisms of graphene on transition metal substrates by chemical vapor deposition and the optimal growth conditions for fabricating graphene nanostructures. Our research thrusts include: (1) Quantitative investigation of the effects of the ubiquitous van der Waals attraction on the thermodynamic and kinetic processes of different carbon sources deposited on the catalytic metal substrates, aiming to clarify the underlying mechanism for low-temperature growth of graphene, and identify the preferred experimental growth conditions; (2) Exploration of the dominant formation mechanism of high-density grain boundaries (GBs) undesirably introduced during graphene growth, followed by devising proper superstructural alloy surfaces to suppress the formation of GBs during large-area single-crystalline graphene growth; (3) Searching for stepped metal surfaces with optimal local geometries as catalytic substrates and proper carbon sources with affinitive molecular structures, and the corresponding kinetic pathways for fabrication of ultra-narrow and edge-controlled GNRs. Successful execution of this project will provide the much needed theoretical guidance and a set of innovative ideas for achieving mass production of large-area single-crystalline graphene and ideal GNRs, thus enabling significant advances in graphene electronics.

制备大面积单晶石墨烯及理想石墨烯纳米条带结构是当今石墨烯基础与应用研究领域所公认的疑难问题。目前，实验上如何实现低温、大面积生长单晶石墨烯，以及制备出超窄、边缘可控的石墨烯纳米条带，亟需在相关理论研究上有大的突破。本项目拟采用基于第一性原理的多尺度模拟方法，研究在过渡金属基底上化学气相沉积方法生长石墨烯的机理及调控。具体内容包括：1）定量探讨范德华吸引力对不同碳源分子在金属表面上热力学和动力学过程的影响，从而阐明石墨烯低温生长的机制及优化实验条件；2）在原子尺度阐明石墨烯生长过程中形成晶界的机理，进而设计出合适的超结构合金表面以抑制在大面积单晶石墨烯生长中晶界的形成；3）选择具有最优局部几何结构的金属台阶表面为催化基底，结合使用具有最佳分子结构的碳源，探讨制备超窄、边缘可控的纳米条带的动力学通道。本课题的成功进展将为大面积生长单晶石墨烯及可控石墨烯纳米条带提供有指导意义的新思路与理论依据。

制备大面积单晶石墨烯及理想石墨烯纳米条带结构是当今石墨烯基础与应用研究领域所公认的疑难问题。目前，实验上如何实现低温、大面积生长单晶石墨烯，以及石墨烯纳米条带在自旋电子学中的应用，亟需在相关理论研究上有大的突破。本项目采用基于第一性原理计算的多尺度模拟方法，研究了在过渡金属基底上石墨烯生长的相关机理及石墨烯纳米条带和其他二维材料的性质。主要研究进展包括：提出石墨烯生长过程中晶界的形成机理与利用超结构合金表面抑制晶界；确定了铜衬底上碳-碳二聚体是石墨烯生长的主要碳供给单元，并解释了不同铜衬底上石墨烯生长中由不同的关键原子动力学过程所决定的微观机理；由于相对较弱的石墨烯-铜相互作用增强了碳原子的横向扩散和在第一层石墨烯下方的有效成核，从而使得在铜衬底上比在镍衬底上生长双层石墨烯更可行；利用范德华吸引力可以实现石墨烯超低温可控外延生长；通过碳四元环的协同作用在石墨烯分子条带中实现自旋量子通道转换；利用GW-BSE方法计算了单层黑磷、氟化石墨烯、氮化硼等一系列二维材料的激子结合能，并揭示出此类材料的激子结合能与其准粒子能隙之间存在显著的线性标度关系等。这些研究成果为低温可控地、大面积生长高质量的单晶石墨烯及双层石墨烯提供了有指导意义的新思路与理论依据，为石墨烯在自旋电子学器件发展提供了一个基本逻辑单元，以及为预测二维材料激子效应提供了理论依据。项目执行期间共发表SCI论文7篇，其中包括Phys. Rev. Lett. 4篇，尚有一些研究结果需要整理成文待投。申请石墨烯生长相关的专利1项。在国际会议上作口头报告1次。