在一个受控的环境中，石墨烯晶体生长速度最快的方向会超过其他晶体，并将“进化选择”变成单晶，即使是在多晶硅衬底上，也不需要与基质的取向相匹配。一个橡树岭国家实验室领导的团队开发出了一种新的方法，它能产生一种超过一英尺长的单层晶体状石墨烯薄膜。

在田纳西州橡树岭。2018年3月12日——一种新方法制造出一种大型单层晶体状石墨烯薄膜，其长度超过1英尺，依靠的是在晶体中利用“最适生存”的竞争。由美国能源部橡树岭国家实验室领导的一个小组开发的这项新技术，可能会为培养人们期待已久的实际应用所需的高质量的二维材料提供新的机会。

为了研究目的而制造薄层石墨烯和其他二维材料是很常见的，但它们必须在更大的规模上制造才能发挥作用。

石墨烯被认为具有前所未有的强度和高电导率的潜力，并且可以通过众所周知的方法来实现:将石墨烯薄片(在铅笔中发现的硅质软质材料)分离成一个原子层，或者在一个气态前体的催化剂上将其原子从气态的前体中生长出来，直到形成超薄层。

由ornl领导的研究小组使用后一种方法，即化学气相沉积法，但采用了一种扭转方法。在《自然材料》(Nature Materials)上发表的一篇研究报告中，他们解释了CVD过程的局部控制是如何在最佳条件下允许进化或自我选择生长的，产生了一个巨大的、单晶状的石墨烯薄片。

ORNL的首席合著者Ivan Vlassiouk说:“大型单晶的机械强度更高，电导率也更高。”“这是因为在多晶石墨烯中单个域之间的相互连接所产生的缺点被消除了。

他补充说:“我们的方法不仅是提高单晶石墨烯大规模生产的关键，也可能是其他2D材料的关键，这对于他们的大规模应用是必要的。

就像传统的CVD生产石墨烯的方法一样，研究人员将碳氢化合物前体分子的混合物喷射到金属的多晶箔上。然而，他们小心地控制了碳氢化合物分子的局部沉积，将它们直接带到正在出现的石墨烯薄膜的边缘。当底物移动到下面时，碳原子不断地聚集成一个石墨烯的单晶，长达一英尺。

coauthor和新墨西哥州立大学教授Sergei Smirnov说:“不受阻碍的单晶型石墨烯的生长几乎可以持续下去，就像在这里展示的一卷一卷和一英尺长的样品一样。”

当碳氢化合物接触到热的催化剂箔时，它们形成了碳原子簇，随着时间的推移，这些碳原子会在更大的范围内生长，直到凝聚到整个基体上。该研究小组先前发现，在足够高的温度下，石墨烯的碳原子与基体的原子没有关联，或镜像，从而允许非外延晶体生长。

由于气体混合物的浓度对单晶生长的速度有很大的影响，所以在单层石墨烯晶体的现有边缘附近提供碳氢化合物前体，可以比新簇的形成更有效地促进其生长。

Smirnov说:“在这样一个受控的环境中，石墨烯晶体生长速度最快的方向会超过其他晶体，并将‘进化选择’变成单个晶体，即使是在多晶硅基体上，也不需要与基体的方向相匹配，这通常发生在标准外延生长的情况下。”

他们发现，为了确保最优的增长，有必要创造一个“风”来帮助消除集群的形成。Vlassiouk说:“我们必须创造一个环境，在这个环境中，在生长前形成新的星群，完全被抑制了，而大的石墨烯晶体的生长边缘也没有受到阻碍。”“然后，只有到那时，当基质移动时，没有什么能阻挡‘适者生存’的晶体生长。

由合著者莱斯大学教授Boris Yakobson领导的团队的理论学家们提供了一个模型，解释了哪些水晶方向具有独特的特性，使它们在生存的过程中成为最适合的，以及为什么优胜者的选择可能依赖于基质和前体。

如果石墨烯或任何二维材料都能达到工业规模，这种方法将是关键的，类似于Czochralski的硅方法。”Yakobson说。制造商们可以放心，当一个大的，晶片大小的原始层被切割成任何设备制造时，每一件成品都将是一个高质量的单晶。这个潜在的巨大的、影响深远的角色激励着我们去探索尽可能清晰的理论原则。

使用该小组的方法实际扩大石墨烯的规模还有待观察，但研究人员相信，他们的进化选择单晶生长方法也可以应用于有前景的替代2D材料，如氮化硼，也被称为“白色石墨烯”和二硫化钼。

其实自从石墨烯被发现以来，国内对石墨烯也是投入l大量的研究。其中都是在实验室有不错的成果，但是在其产品的真正产业化还有一段路要走。其中不乏重庆元石盛石墨烯公司，据说他们建成了专业的薄膜生产线，通过液相法制备的石墨烯，很轻易的将石墨烯涂抹到基底膜上，可以大规模的生产各种功能膜。

该研究由ORNL的实验室指导研发项目，ORNL的技术转让专利技术创新项目，以及能源部的高级研究项目机构-能源支持。显微镜工作是作为流体界面反应的一部分，结构和运输中心，一个能源前沿研究中心。这项工作还利用了ORNL 's Center for Nanophase Materials Sciences，美国能源部科学用户设施办公室。