化学气相沉积(CVD)技术的发展对于在晶圆级尺度上合成单晶石墨烯至关重要，这是因为石墨烯畴间没有晶粒边界，否则会导致石墨烯的电学、热学和力学性能的下降。到目前为止，已经开发了两种方法来在晶圆级尺度上获得单晶石墨烯。第一种方法是降低成核密度，使单层石墨烯形成一个“巨大的”单畴。这一过程需要复杂的基体预处理，包括高温退火、抛光和氧化。该策略的主要缺点是生长过程通常需要较长的反应时间，并且很容易被自限生长终止。第二种策略是将多个石墨烯结构域进行单向排列，这些结构域结合在单晶相或液相的衬底上形成单晶石墨烯层。对于单晶衬底，已证明氢封端的锗（110），铜（111）表面和六方氮化硼（h-BN）可成功工作。其潜在机制是由于外延生长在与石墨烯低晶格失配的衬底上，例如Cu(111)和h‐BN，或者是Ge(110)中存在的阶跃模式，影响生长过程中石墨烯结构域的协同排列。

有鉴于此，苏州大学Mark H. Rümmeli 教授和宾夕法尼亚州立大学Slava V. Rotkin等人，研究了通过化学气相沉积(CVD)在连续的多晶石墨烯层(Stranski–Krastanov（SK）生长)上形成的薄片。展示了在多晶石墨烯初始基层的毫米面积上的SK生长过程中，次级石墨烯畴核化后普遍存在的显著的自对准现象，即在多晶衬底上形成大面积的单晶石墨烯。

本文要点

1）早期生长的次级石墨烯薄片在宏观尺度上自组装，从而形成大面积的单晶体石墨烯。广泛的统计分析表明，成核的次级石墨烯域始终最初形成为六边形，大概是由于外延方面的原因。初始成核薄片采用AB (Bernal)与底层石墨烯叠加。由于初级层畴的方向是随机的，这些薄片也在晶圆级尺度上随机排列。

2）令人惊讶的是，在生长的后期，许多薄片会旋转形成扭曲的双层结构(这是一种不太有利的堆积结构)，以实现全局自对准，在此过程中，次级区域会继续生长，形成分形形状。

3）因此，次级薄片之间的整体排列在（非Bernal）堆积能量损失中占主导地位，这与其他文献中石墨烯在液体上的生长所发现的相似。自对准次级畴上方的其他层的形核和形成会自动产生一个新的AB堆叠的单晶晶格。第三层薄片已经在成核阶段对齐，然后合并形成单晶AB堆叠的三层或几层石墨烯薄膜。

参考文献：

Huy Quang Ta et al. Large‐Area Single‐Crystal Graphene via Self‐Organization at the Macroscale. Advanced Materials, 2020.

DOI: 10.1002/adma.202002755

https://doi.org/10.1002/adma.202002755