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Continuous epitaxy of single-crystal graphite films by isothermal carbon diffusion through nickel

材料科学 石墨 结晶度 石墨烯 单晶 外延 Crystal(编程语言) 范德瓦尔斯力 晶体生长 纳米技术 堆积 结晶学 化学工程 图层(电子) 复合材料 化学 有机化学 计算机科学 工程类 程序设计语言 分子
作者
Zhibin Zhang,Mingchao Ding,Ting Cheng,Ruixi Qiao,Mengze Zhao,Mingyan Luo,Enze Wang,Yufei Sun,Shuai Zhang,Xingguang Li,Zhihong Zhang,Hancheng Mao,Fang Liu,Ying Fu,Kehai Liu,Dingxin Zou,Can Liu,Muhong Wu,Chuanlin Fan,Qingshan Zhu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (12): 1258-1264 被引量:76
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01230-0
摘要

Multilayer van der Waals (vdW) film materials have attracted extensive interest from the perspective of both fundamental research1-3 and technology4-7. However, the synthesis of large, thick, single-crystal vdW materials remains a great challenge because the lack of out-of-plane chemical bonds weakens the epitaxial relationship between neighbouring layers8-31. Here we report the continuous epitaxial growth of single-crystal graphite films with thickness up to 100,000 layers on high-index, single-crystal nickel (Ni) foils. Our epitaxial graphite films demonstrate high single crystallinity, including an ultra-flat surface, centimetre-size single-crystal domains and a perfect AB-stacking structure. The exfoliated graphene shows excellent physical properties, such as a high thermal conductivity of ~2,880 W m-1 K-1, intrinsic Young's modulus of ~1.0 TPa and low doping density of ~2.2 × 1010 cm-2. The growth of each single-crystal graphene layer is realized by step edge-guided epitaxy on a high-index Ni surface, and continuous growth is enabled by the isothermal dissolution-diffusion-precipitation of carbon atoms driven by a chemical potential gradient between the two Ni surfaces. The isothermal growth enables the layers to grow at optimal conditions, without stacking disorders or stress gradients in the final graphite. Our findings provide a facile and scalable avenue for the synthesis of high-quality, thick vdW films for various applications.
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