高質量石墨烯的可控制備是各種基礎研究和應用開發的基礎，是迫切需要進行深入研究的重大基礎科學問題之一。這一研究領域涉及對其大小、形貌、邊界、晶體結構的完美程度、摻雜等方面的控制，從而實現對其電學性能調控。

       在中國科學院、科技部和國家自然科學基金委的大力支持下，針對這些科學問題，中科院化學研究所有機固體實驗室的相關科研人員在已有工作的基礎上，在石墨烯的可控制備和性能研究方面取得重要進展，有關結果發表在Adv. Mater., NPG Asia Mater., J. Am. Chem. Soc.和Nat. Commun.等雜志上。

       介電層上直接生長石墨烯。

       化學氣相沉積法（CVD）因兼有高質量和宏量的優點已成為石墨烯制備的最重要的方法之一。但利用這種方法制備的石墨烯一般都需要轉移到其它介電層上，才能制備石墨烯器件和電路，轉移過程將帶來石墨烯破損、褶皺、污染以及材料浪費等問題。因此，能否在介電層上直接生長石墨烯就具有重要的科學意義和巨大的技術需求。石墨烯在介電層上直接生長與目前硅電子學的加工工藝兼容，可以直接用于器件的制備和組裝。

       前期工作中，有機固體院重點實驗室的研究人員發明了氧輔助法，在二氧化硅絕緣材料上直接制備了石墨烯薄膜（J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 17548），隨后又發現可以通過兩段化學氣相沉積方法，控制石墨烯的成核點和晶區尺寸，實現了高質量石墨烯薄膜在氮化硅表面上的直接生長。制備的石墨烯薄膜中石墨烯疇晶的尺寸達1m。薄膜具有高的電學性能，其遷移率在空氣中可以達到1510 cm2V-1s-1，在氮氣中可以達到1518 cm2V-1s-1。這些性能相比直接生長在二氧化硅基底上的石墨烯薄膜提高了兩倍，已經高于部分金屬催化石墨烯的性能。該研究成果發表在《先進材料》上（Adv. Mater., 2013, 25,992）,并被選為內封面 (圖1)。

       單晶石墨烯的形貌調控和刻蝕。

       實現單晶石墨烯的制備和對其邊界結構的調控是石墨烯可控制備研究中廣泛認同的前沿課題。后一目標尤其面臨著缺乏理論指導和具體解決方案的雙重挑戰。化學所有機固體實驗室的研究人員在前期利用液態銅表面的各向同性CVD法制備正六邊形單晶石墨烯的基礎上（Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2012, 109, 7992），通過對石墨烯成核成長微觀動力學過程的調控（Ar和H2比例的連續調控），首次獲得了一系列新的熱力學上石墨烯亞穩結構(圖2)。

       這一系列具有高度六重對稱性的石墨烯的形貌遵循著確定的變化規律：石墨烯的邊界變化包含了從正曲率到負曲率變化的完整范圍。這一石墨烯圖案體系與自然界中的雪花結構集合有著驚人的相似，代表了已知材料中唯一完美地以更加簡單（雪花為三維晶體）的二維方式再現雪花結構集合的范例。基于以上事實，進一步提出了擴散控制的普遍生長機制，并與理論模擬相吻合。這一工作首次將石墨烯的生長和形貌調控與非平衡體系下動力學上的調控聯系起來，揭示了石墨烯生長中的一個從未被發現但普遍存在的基本規律，原理上可推廣到更廣泛的二維原子晶體材料。相關工作發表在自然出版社集團旗下的《亞洲材料》(NPG Asia Mater.,2013, 5, e36）上。

       在此工作基礎上，研究人員將此調控方法應用到石墨烯刻蝕行為的研究中。傳統實驗結果和觀念認為，由于構建單元的規則排列，完美晶體的刻蝕表現為各向異性刻蝕，刻蝕圖案以簡單歐幾里得幾何結構為特征，以往的實驗結果也表明石墨烯遵循此規律。研究人員通過刻蝕氣體H2與惰性氣體Ar比例的調節，首次揭示了石墨烯的刻蝕模式可以極大地偏離理想的各向異性刻蝕模式，使石墨烯的刻蝕圖案從簡單的歐幾里得結構向復雜的分形結構演變(圖3)，以往研究中觀察到的石墨烯的簡單歐幾里得刻蝕圖案僅為此普遍演化過程中的特例。相關工作發表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6431)上。英國皇家化學會的《Chemistry World》在其主頁頭條位置以“Carving graphene snowflakes with gases”為題報道了該成果，稱“這些漂亮的雪花并非由冰所組成，而是由石墨烯薄片刻蝕而至”。

       單壁碳納米管/石墨烯帶分子內結。新加坡國立大學的魏大程博士和A.T.S.Wee教授與有機固體實驗室相關人員合作，制備了單壁碳納米管/石墨烯帶分子內結（圖4），該分子內結顯示典型的非對稱性整流曲線（開關比：~160，at ±1.5 V)，其光電流和光電壓與激光強度分別呈線性和指數關系，在光強度為98.6 kW/cm2的條件下，分別獲得了高光電流(11.6 nA)和高光電壓(270 mV)，外光電靈敏度達3 mA/W, 高于二維石墨烯或碳納米管的p-n 結，表明該分子內結能有望作為高性能的光檢測器。該結果發表在Nat. Commun.上 （2013, 4, 1374）。

       這一系列工作揭示了石墨烯在非平衡條件下生長過程的豐富內涵，為其進一步可控制備高質量、大面積、無污染的石墨烯提供了廣闊的研究空間。這些研究結果還對非平衡體系中材料生長過程的認識具有普遍的借鑒作用，也將石墨烯與科學中的一些基本物理概念和自然現象（如無序和有序、確定性和隨機性、簡單到復雜、液態、雪花等）緊密地聯系在一起。