高质量的石墨具有优异的机械强度、热稳定性、高柔韧性和非常高的平面内热传导和电传导率，因此，是许多应用中最重要的先进材料之一，如用作手机的轻热导体。例如，一种特殊类型的石墨，高有序热解石墨(HOPG)，是实验室中使用最多的材料之一。这些优异的性能源于石墨的分层结构，石墨烯层中碳原子之间的强共价结合有助于石墨烯层中优异的力学性能、热传导和导电性能，而石墨烯层间非常弱的相互作用导致了石墨的高度柔韧性。
尽管石墨在自然界中被发现已有1000多年的历史，人工合成石墨的探索也已有100多年的历史，但无论是天然的还是人工合成的石墨样品，其质量都远远达不到理想的水平。如石墨材料中最大的单晶石墨畴的尺寸一般小于1毫米，这与许多晶体的尺寸形成了鲜明的对比，如石英单晶和硅单晶的尺寸可能达到米级。单晶石墨的尺寸非常小，这是由于石墨层之间的相互作用很弱，在生长过程中很难保持石墨层的平直性，因此石墨很容易破碎成几个晶界无序的单晶(见图1)。
图1. 石墨在粗糙基底上的生长图示，在粗糙的基底上，单晶石墨岛之间不可避免地有核，即晶界。
为了解决这一关键问题，北京大学刘开辉教授、王恩哥教授以及蔚山国立科学技术研究所（UNIST）特聘教授等人提出了合成数量级大、英寸级的单晶石墨薄膜的策略。在他们的方法中，单晶Ni箔被用作基底，通过“等温溶解-扩散-沉淀过程”从Ni箔背面提供碳原子(见图2)。他们不使用气相纸箱源，而是选择固体碳材料来喂养石墨生长。这种新策略允许在几天内制备出约1英寸厚35 μm的单晶石墨薄膜，或超过10万个石墨烯层。该单晶石墨的热导率约为2880 Wm-1K-1，杂质含量可忽略不计，层距最小。
图2. (a)单晶石墨在超长单晶Ni箔上生长的机理：(i)固体碳源的碳原子溶解到单晶Ni中；溶解的碳原子通过镍箔转移到另一侧形成石墨烯薄片；(iii)石墨烯薄片不断融合成单晶石墨烯薄膜，(iv)最终在单晶Ni衬底上形成厚石墨薄膜。(b)部分实验生长的英寸大小的单晶石墨，可以看到样品在冷却过程中形成的皱纹。(c)生长后蚀刻基片形成的超平石墨膜。
“这一成功确实在实验设计的几个关键问题上：(1)成功合成了大尺寸单晶Ni薄膜作为超平衬底，从而避免了合成石墨中的紊乱；(2) 10万层石墨烯在100小时内的等温生长可以使每一层石墨烯在完全相同的化学环境和温度下合成，从而保证石墨质量的均匀性；(3)通过镍箔背面的连续进碳使得石墨烯层以非常大的速度连续生长，大约每5秒生长一层，” Ding 教授解释道。
文献信息：
Zhibin Zhang, Mingchao Ding, Ting Cheng, “Continuous epitaxy of single-crystal graphite films by isothermal carbon diffusion through nickel,” Nature Nanotechnology, 2022;
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01230-0
信息来源：Ulsan National Institute of Science and Technology(UNIST).
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