如何在絕緣襯底上形成大面積高質(zhì)量的石墨烯還是個(gè)難題。所以，不論是探索制備石墨烯的新方法，還是尋找合適的生長(zhǎng)石墨烯的基底材料，以便將石墨烯新奇的物理性質(zhì)在室溫下呈現(xiàn)出來，都是石墨烯基礎(chǔ)研究與器件應(yīng)用方面所亟待解決的問題。
金剛石是集眾多優(yōu)異性能于一身的絕緣材料，如果石墨烯能夠制備在金剛石襯底上，相比于其他襯底材料，有利于在室溫下呈現(xiàn)出石墨烯特殊的機(jī)械、導(dǎo)熱、電學(xué)和光學(xué)等性能，是一種構(gòu)筑石墨烯新奇功能器件的理想結(jié)構(gòu)。但到目前為止，關(guān)于在金剛石表面直接制備石墨烯的研究還很少報(bào)導(dǎo)。
金剛石襯底上自組織生長(zhǎng)石墨烯
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）微加工實(shí)驗(yàn)室研究員顧長(zhǎng)志及李無瑕、李俊杰等人與量子科學(xué)模擬中心研究員徐力方、中國人民大學(xué)副教授徐靖和美國倫斯勒理工學(xué)院教授張繩百合作，首先從材料設(shè)計(jì)入手，在理論上預(yù)言了金剛石（111）表面在B原子的誘導(dǎo)下可以實(shí)現(xiàn)金剛石結(jié)構(gòu)向石墨烯結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變，之后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單晶金剛石（111）表面在B摻雜的條件下可以自組織形成高質(zhì)量的石墨烯，并且層數(shù)可控。
他們基于第一性原理的理論計(jì)算，模擬了不同硼摻雜濃度與位置對(duì)金剛石表面再構(gòu)的影響，結(jié)果表明第五層的摻硼直接導(dǎo)致了由金剛石到石墨的結(jié)構(gòu)相變，金剛石(111)面的第一個(gè)雙層完全sp2化，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌邮⑶彝耆撾x下面的結(jié)構(gòu)。這樣形成的單層石墨烯，層內(nèi)的C-C鍵長(zhǎng)為1.45 Å，跟下面襯底的距離為3.30 Å。這與石墨層內(nèi)的鍵長(zhǎng)1.42 Å，以及石墨層間距3.35 Å都非常接近，說明存在金剛石-石墨烯的相轉(zhuǎn)變。這種結(jié)構(gòu)相變是由于第五層摻入的硼原子增強(qiáng)了表面的再構(gòu)效應(yīng)所導(dǎo)致。之后，他們采用CVD方法，在高溫高壓（HPHT）金剛石單晶的（111）表面上，通過硼摻雜和生長(zhǎng)參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的自組織生長(zhǎng)，所制備的石墨烯具有高質(zhì)量、低缺陷、大面積和高遷移率等特點(diǎn)。而且可以通過改變生長(zhǎng)條件，在金剛石襯底上制備出從單層到雙層及多層的石墨烯，很好地驗(yàn)證了理論預(yù)言。
金剛石上石墨烯的拉曼光譜
金剛石上石墨烯自組織生長(zhǎng)的第一性原理計(jì)算
這種金剛石襯底上的石墨烯材料，兼顧了金剛石和石墨烯的眾多優(yōu)異物理特性，為研制新奇功能的石墨烯器件奠定了基礎(chǔ)。
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