IFGSZ人物访谈：电子科技大学李雪松教授

嘉宾简介

李雪松，电子科技大学教授，博导。2000、2003年分别于清华大学获得学士和硕士学位，2007年于美国仁斯利尔理工学院获得博士学位，之后先后在美国德州大学奥斯汀分校、美国IBM T. J. Watson研究中心、以及耶鲁大学从事博士后和副研究员工作。曾担任Bluestone Global Tech Ltd.合伙创始人、副总裁和LasLumin LLC.创始人、CEO。2015年加入电子科技大学。一直从事石墨烯相关的研究工作，相关研究成果发表在Science、Nature、Mater. Today、Adv. Mater.等顶级期刊，曾获2010年美国Semiconductor Research Corporation Inventor Recognition Award、2013年IBM Pat Goldberg Memorial Best Paper Award、2019年科睿唯安全球高被引科学家。

重大科学突破
铜基底生长石墨烯薄膜

Q：请您简单介绍一下您的研究工作。

LXS：大家好，我是电子科技大学教授李雪松。我在2009年发明了基于铜基底的化学气相沉积法制备大面积石墨烯薄膜的方法。这个工作发表于2009年Science，并被Science选为当年的重大科学突破之一。现在这个方法已经被广泛应用到学术领域和工业制备上，成为制备石墨烯薄膜的主要方法。

Q：您当时如何想到要在铜基底生长石墨烯？与传统的镍基底生长石墨烯有何不同？

LXS：石墨烯本身是一种具有单原子层厚度的材料，因为我是材料学出身，所以我对金属的相图的了解要多一些。当时我们的想法就是如果想用金属作为基底生长石墨烯，可以对碳和金属的合金材料进行退火处理，高温下金属合金中溶有碳，随着温度的降低，碳的溶解度就会降低，这样从高温降到低温，就会有碳析出。但如果我们想获得单层石墨烯，就需要选择一种碳溶解度非常低的金属。我当时查阅了各种金属与碳的相图，发现碳和铜的合金相图非常简单，而且碳在铜中的溶解度非常低，所以我们选择了铜作为基底。

与铜相比，碳在镍中的溶解度要高得多，所以在从高温降到低温析出碳的时候，析出的石墨层会比较多，得到的就是多层的石墨薄膜。而铜对碳是基本不溶的，所以可以在表面上生长，得到相对完美的单层石墨烯薄膜。

大面积单晶石墨烯制备
从实验室走向产业化

Q：从传统的多晶石墨烯到制备大面积的单晶石墨烯，主要的技术难点在哪里？

LXS：从多晶石墨烯到单晶石墨烯相关工作有近十年的发展，目前大面积单晶石墨烯的制备技术已经相对成熟，主要是利用石墨烯在金属基底表面的外延生长。如果选择一个合适的金属基底，可以得到和金属晶向单一匹配的单晶石墨烯薄膜，但是基底也必须是单晶。所以单晶石墨烯的大面积制备主要受到单晶金属基底面积的限制。

我们团队目前也在做关于制备大面积单晶金属基底的工作。目前大家常用热退火的方法，在很高的温度下对多晶金属基底进行热处理，但这个方法通常需要耗费很长的时间。我们团队开发了一种新的方法，可以快速制备大面积单晶铜基底，目前的尺寸可以做到6*60cm，是具有一定的优势的，该工作目前仍在完善中，还没有发表。

Q：石墨烯层数控制的关键点是什么？

LXS：首先，铜箔基底要干净，可以抑制生长过程中多层石墨烯的生长。其次，要控制气氛，尤其是氧的影响，以避免后生长，也就是避免石墨烯薄膜在覆盖铜箔后，后续多层石墨烯的生长。这个也是我们最近发现的一种新的生长模式，即当气氛中有氧存在时，会突破石墨烯生长的自限制模式，即使铜箔表面已经长满石墨烯薄膜，气氛中的氧会帮助碳“穿过”表面的石墨烯，在其下进行新的石墨烯层的生长。简单来说，主要就是纯度控制，即基底的纯度和气氛的纯度控制。

Q：实现石墨烯外延生长需要具备哪些条件？从实验室到大规模生产有哪些区别和挑战？

LXS：外延生长需要解决基底里面的杂质问题，只要基底本身的纯度非常高，就可以确保石墨烯和基底保持很好的外延生长特性。从实验室到产业化的问题，其实是一个非常普遍的问题了。因为在实验室制备石墨烯的时候，面积都比较小，所用的设备也比较小，那么对环境均匀性的控制很容易实现。但是在产业化时，面积变大，控制批次的稳定性和环境的均匀性的难度随着尺寸的变大其实是一个指数级的增加。

Q：大面积单层石墨烯的大规模制备将对未来生活产生哪些重大影响？

LXS：一个可见的应用是石墨烯电热膜。与其它电热方式相比，单层石墨烯具有超薄、超轻、柔、更加安全等特点，比如地暖的铺设，基于单层石墨烯电热膜铺设方便、所占空间极大减小。只是目前单层石墨烯薄膜制备成本还是很高。另一方面，从已报道的成果来看，石墨烯结合其他二维材料在电子器件和光电器件上的原型器件大家都是可以做出来的，并且体现出非常好的性能。但是如果形成产品的话，就需要保证优异的性能、一致性和可重复性。这种新型电子器件的实现，比如它的高速、高灵敏度，对于5G甚至6G的推动将会起到非常关键的作用。

石墨烯论坛
为学术界和产业界建立桥梁

Q：您认为我们的石墨烯论坛对学术界和产业界有哪些影响？

LXS：我们这个石墨烯论坛从2014年开始举办，到今年已经是第九届了。除受疫情影响外，我每届论坛都会参加。我们的石墨烯论坛既有学术前沿的讨论，也有产业化的结合，一方面有利于推动我们把实验室的成果推向到产业界，另一方面也为我们的科研人员和下游的客户需求建立了一个很好的桥梁。