为什么同样是石墨烯，有的能做高性能芯片，有的只能做普通复合材料？答案藏在一个最关键的参数里 ——原子层数。
作为典型的二维材料，石墨烯的物理特性几乎完全由它的原子层数决定：单层石墨烯是零带隙的半金属，而双层、三层石墨烯却能打开可调的带隙，同时还能拥有更优异的机械强度和热传输性能。想要让石墨烯真正走出实验室，走进大规模产业应用，首先要解决的核心问题就是：能不能精准控制它的层数，做出大面积、完全均匀的多层石墨烯薄膜？
长久以来，这都是困住全世界研究者的核心瓶颈。二维材料的表面没有悬挂键，生长机制和我们熟悉的传统体相材料完全不一样，传统的逐层生长模式很容易出现 “随机成核”—— 有的地方长了 2 层，有的地方长了 5 层，最终做出来的薄膜厚薄不均，根本没法用在对材料均匀性要求极高的高精度电子器件里。
不过最近，这个卡了行业多年的难题，被北大团队攻克了！
在国家自然科学基金项目（批准号：T2188101）等的资助下，北京大学 / 北京石墨烯研究院的刘忠范教授、孙禄钊研究员团队，在二维材料层数可控外延生长领域取得了重大突破，相关研究成果已经于 2025 年 7 月 1 日发表在国际顶级期刊《自然・通讯》（Nature Communications）上。
石墨烯层数可控制备的挑战与同步外延生长策略（图片来源：国家自然科学基金委员会官网）
针对传统生长模式的固有痛点，研究团队全新设计了 Cu-Cu₂O 异质催化衬底，还提出了 “边缘供碳、同步外延” 的颠覆性生长策略。
简单来说，传统方法里，多层石墨烯是一层一层往上堆叠生长的，很容易出现 “快慢不一”，最后整个薄膜的层数就乱了。而这个新策略里，衬底里的 Cu₂O 会在石墨烯的边缘同时发挥好几个关键作用：它能高效裂解碳源前驱体，让碳原子精准跑到生长的最前沿，还能稳定石墨烯的边缘，约束初始的成核层数。
为了验证这个全新的生长机制，团队首先借助飞行时间二次离子质谱仪，重构了石墨烯与 Cu-Cu₂O 衬底的界面 3D 元素分布，清晰解析了生长过程的界面作用机制，直接验证了 “边缘供碳” 的生长模型；同时，他们用扫描电子显微镜（SEM）观察了不同生长阶段的石墨烯岛与薄膜的微观形貌，完整追踪了同步生长的动态过程，确认了多层石墨烯 “齐头并进” 的生长状态。
这样一来，多层石墨烯就不是 “先后生长” 了，而是变成了 “齐头并进” 的同步生长 —— 所有的原子层一起成核、一起长大，从根本上就避免了传统模式里随机成核带来的层数不均问题！
靠着这个全新的策略，团队依托低压化学气相沉积（LPCVD）系统—— 包含常规 6 英寸管式 LPCVD 系统，以及团队自制的工业级 CVD 生长系统，完成了石墨烯薄膜的可控制备，最终实现了 2 到 7 层石墨烯薄膜的精准控制生长。
更重要的是，他们在国际上第一次完成了A3 尺寸（42cm×30cm）均匀三层石墨烯的批量制备。为了验证大面积样品的层数均匀性，团队用搭配了 DS-Ri2 相机的光学显微镜，获取样品的光学图像并完成光学对比度分析，最终确认整个大面积薄膜的层数均匀性超过了 98%。
在微观层面，团队还通过透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM），拿到了原子级分辨率的截面结构，确认了多层石墨烯的原子层结构与堆垛方式，从最微观的层面验证了层数的均匀性；为了确认材料的本征物理特性，他们还依托上海同步辐射光源 BL07U 线站的 nano-ARPES 终端，搭配 Scienta DA30 电子分析器，完成了角分辨光电子能谱（ARPES）测量，表征了石墨烯的电子结构。
针对样品的力学性能，团队用原子力显微镜（AFM），一方面表征了样品的微观形貌，另一方面通过纳米压痕实验，测试了石墨烯薄膜的机械强度，验证了样品卓越的力学性能，证明这个大面积样品不仅层数均匀，还拥有非常好的机械强度，转移之后也能保持完整，完全满足产业化的批量生产需求。
这项研究不只是搞定了石墨烯的层数控制，还给所有二维材料的精准可控制备提供了全新的创新方法。未来，这种均匀的多层石墨烯，会在下一代高性能电子器件、量子技术，还有高性能复合材料这些领域，发挥巨大的作用，为二维材料的真正产业化打下了坚实的材料基础。
