调控密闭生长室气体交换率实现亚厘米级石墨烯单晶的快速合成

本文系统研究了不同几何参数的密闭生长室对化学气相沉积（CVD）法制备石墨烯单晶的影响。通过有限元模拟与实验验证，发现密闭室几何结构通过调控气体流速（影响甲烷分子在铜基底表面吸附残留时间）显著改变石墨烯成核与生长动力学。该研究为优化密闭CVD系统、制备大尺寸高质量石墨烯单晶提供了重要理论依据和实践方案。

　　

Highlight

通过精密设计的密闭生长室几何参数调控，成功将石墨烯单晶尺寸提升2.5倍，实现亚厘米级单晶的快速合成。

Substrate preparation（基底制备）

首先将厚度25μm的商业铜箔（Alfa asea）切割为2cm×2cm小块，依次经丙酮超声清洗5分钟、乙醇冲洗3分钟，氮气吹干后于200°C热台氧化处理20分钟，作为低压化学气相沉积（LPCVD）生长石墨烯的基底。

Synthesis of graphene（石墨烯合成）

石墨烯样品通过以下流程制备：首先将...

Results and discussion（结果与讨论）

图S1展示了常规LPCVD气体环境中流场分布的有限元模拟结果。沿反应管轴向，中心加热区流体速度显著高于两端非加热区域；径向因壁面摩擦产生速度滑移，近壁处流体速度逐级递减。综合表明密闭生长室几何结构通过调控气体流速直接影响甲烷分子在基底的吸附残留时间，进而调控石墨烯成核与生长动力学。

Conclusion（结论）

本研究系统揭示了不同几何构型密闭生长室对石墨烯单晶成核与生长特性的影响。模拟结果表明密闭室能将铜基底附近气体流速从数米/秒降至厘米/秒量级，显著延长碳前驱体滞留时间。通过建立生长模型阐明流速调控机制，为制备大尺寸高质量石墨烯单晶提供了优化路径。