以化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜具有不同寻常的物理和化学性质，有望应用于柔性电子和高频晶体管等领域。然而，因为与基板的强耦合，在其生长过程中总会形成褶皱，这限制了薄膜的大规模均匀性。本研究开发了一种质子辅助的化学气相沉积方法来生长无褶皱的超平坦石墨烯薄膜。所提出的质子穿透和重组形成氢的方法也可以减少石墨烯在传统化学气相沉积过程中形成的褶皱。由于范德瓦尔斯相互作用的解耦，以及与生长表面距离的增加，一些褶皱完全消失了。石墨烯薄膜的电子带结构呈V形狄拉克锥，原子平面内或原子台阶间呈线性色散关系，证实了与衬底的解耦。石墨烯薄膜的超平坦特性使其表面在湿法转移后仍然易于清洁。在线宽为100微米的器件中，即使在室温下也会出现强大的量子霍尔效应。用质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜可在很大程度上保持其固有性能，我们的方法应可方便地推广到应变和掺杂设计的其他纳米材料上。
 
Figure 1. （a）冷却时，在收缩铜表面的原子台阶（或粗糙区域）上形成皱纹的示意图。（b）图解说明在CVD生长期间将石墨烯从其基底上脱偶联时，皱纹的消失。
 
  Figure 2.（a）质子渗透和氢去耦合模型；（b）不同密度的复合氢键态的理论模拟。经过不同处理后，Cu(111)上起皱的石墨烯薄膜的典型AFM图像：（c）通过CVD生长的表面；（d）ICP在400°C之后；（e）ICP在650°C之后；（f）400°C下UHV退火；插图是AFM相位图像。（g）相同皱纹的高度轮廓，沿c–f中粉红色标记的线截取。（h）生长的石墨烯薄膜的典型拉曼光谱以及经过ICP处理后的石墨烯的拉曼光谱。所有AFM图像都使用相同的-5 nm至5 nm的高度条，而c–f中的长度比例条均为1μm。

 
Figure 3. 质子辅助生长的无皱纹和准悬浮石墨烯薄膜。（a）在Cu(111)上生长的4英寸石墨烯薄膜的照片；插图：典型的AFM图像。（b）石墨烯生长后基材的典型光滑度：铜箔、起皱的石墨烯薄膜覆盖的Cu(111)、以及由ICP-CVD生长的石墨烯薄膜覆盖的Cu(111)。（c）从ICP-CVD生长的薄膜和其他起皱样品中多个点获得的ω_G和ω_2D的分布，以及悬浮膜（黑色固体）作为参考。（d）横跨Cu(111)原子台阶的ICP-CVD生长石墨烯薄膜上的STS光谱。（e）质子辅助下，在Cu(111)上生长的石墨烯薄膜的ARPES，以及ICP处理前后的起皱样品。比例尺：插图（a）为2μm；（d）为2 nm。
 

Figure 4. 超平石墨烯薄膜具有易清洁的特性和强大的QHE。（a）Δω_G和Δω_2D是从ICP处理前后的皱纹石墨烯的拉曼原位测量中提取的，并以ICP-CVD生长的石墨烯作为参考。（b）在超高压退火之前和之后，提取的转移到Cu(111)上的石墨烯的Δω_G和Δω_2D；在高温下进行UHV退火后，Δε/ΔT值对温度变化敏感。（c）标准湿转移程序和UHV退火后，转移的石墨烯薄膜上残留的NPs。插图为典型AFM图像。（d）在室温下，磁场B=7.5T时，可以轻松观察到大型超平石墨烯薄膜的稳健QHE和霍尔平台。插图，光学图像。比例尺：插图c为1 μm；插图d为100 μm

      相关研究成果于2020年由南京大学高力波教授课题组，发表在Nature（doi.org/10.1038/s41586-019-1870-3）上。原文：Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films。