北京大学刘开辉课题组发展局域氟元素调控二维材料生长动力学新方法

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背景介绍

量子材料，包含拓扑材料、超导材料、二维材料等，是目前科学界认为最有希望实现下一代颠覆性技术变革的新型材料。其中，由于二维材料与当代硅基芯片加工工艺兼容而有望实现规模化应用，成为跨学科前沿交叉研究领域的热点材料体系。二维材料具有原子层结构特点，其电子态和声子态都分布在表面。因此二维材料与其它物质的表面相互作用可以显著地改变其物理性质并有可能实现生长动力学调控。

2016年，刘开辉研究团队与合作者首次报道了利用局域氧元素降低石墨烯生长动力学势垒（~1eV），将石墨烯生长速度提高了2-3个数量级，达到60μm/s，创造了石墨烯生长速率的世界纪录（Nature Nanotechnology 2016, 11, 930）。通过进一步设计和利用这种表面调控作用，近期研究团队将元素周期表中电负性最强、反应活性极高的氟元素引入二维材料生长体系。与氧元素调控机制不同，氟元素不仅能够将石墨烯的生长动力学势垒降低，而且还有效地将石墨烯生长过程从吸热反应转变为放热反应，使石墨烯生长速率达到了全新纪录（~200μm/s）。同时，该方法对于其他类型的二维材料，例如半导体过渡金属硫族化合物、绝缘体六方氮化硼生长同样具备显著促进作用，使其生长速率提高了1-2个数量级。

在反应过程中局部引入高反应活性元素的设计方案将为量子材料控制合成提供新思路，例如快速生长、低温生长、原位掺杂等。事实上，除氟化物以外，还存在非常丰富的其他类型衬底，例如硫化物、硒化物、氯化物和溴化物，它们都有可能对二维材料的生长动力学和物性实现有效调控。这些衬底组成元素可以在较宽的温度范围（50-1400℃）下释放，且反应活性各异。因此，这种局域元素供应的方式将为二维材料的生长及物性调控提供一个全新自由度，为二维材料的规模化制备及高端器件应用奠定材料基础。

实验重大突破

2019年7月15日，北京大学物理学院刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士与合作者在《自然•化学》杂志在线发表题为“Kinetic modulation of graphene growth by fluorine through spatially confined decomposition of metal fluorides”的研究论文，报道了局域氟元素供应对石墨烯超快生长的调控机制，并将该项技术推广到其它二维单晶材料的快速制备。

刘灿、徐小志、邱璐、吴慕鸿为论文共同第一作者，刘开辉、丁峰、熊杰为论文通讯作者。该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市科委相关项目，量子物质科学2011协同创新中心、人工微结构与介观物理国家重点实验室等的大力支持。

专家点评

局域氟辅助的石墨烯超快生长

清华大学化学系焦丽颖博士

氢气、氧气等活性物种可有效促进石墨烯等二维材料的化学气相合成。而化学性质更为活泼的氟因其强腐蚀性与毒性，一直未能被引入到二维材料气相合成反应中。近日，Nature Chemistry期刊报道了一项氟辅助石墨烯超快生长的最新研究成果。研究人员巧妙地利用了金属氟化物在高温下的热分解反应，在限域空间中产生少量氟对石墨烯的生长动力学过程进行调控，实现了~200 μms-1的石墨烯超快生长。该团队结合理论计算推测了氟辅助石墨烯快速生长的机理并将这一方法推广用于六方氮化硼和二维WS2的气相合成，证实了氟对于其他二维材料生长也有显著的促进作用。该工作提出的通过局域引入活性物种促进二维材料生长的新概念丰富了二维材料合成方法学，为二维材料的控制合成与性能调控提供了新思路。

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题   目：局域氟辅助的石墨烯超快生长

报告人：刘开辉

单   位：北京大学

时   间：2019-06-12

地   点：北京大学

个人简介

刘开辉，北京大学物理学院研究员、课题组长、博士生导师、基金委“优青”、国家重点研发计划课题负责人。本科毕业于北京师范大学物理学系；博士毕业于中科院物理所；2009-2014在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究工作；2014年到北京大学物理学院工作。主要从事界面调控二维材料生长动力学和物性研究，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究方向开展了系列工作。发表科研论文100余篇，通讯/第一作者50余篇包括Nature系列(正刊1篇，子刊10篇)、PNAS(2篇)、JACS(3篇)、Nano Letters(4篇)、Advanced Materials(7篇)；申请专利32项，授权10项。目前担任Science Bulletin副主编，Nanotechnology、低温物理学报编委，全国材料新技术发展研究会理事。曾获北京市科学技术一等奖（2009）和三等奖（2017）、中国十大科技新锐人物（2016）、北京市优秀人才青年拔尖个人（2017）、纳米之星”创新创业大赛团队第一名（2017）等奖项。

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