近年來，石墨烯因其良好的導(dǎo)電性和高載流子遷移率，在電子領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。石墨烯工業(yè)化的關(guān)鍵是材料的高質(zhì)量制備。然而，其制備過程中存在許多問題，如對碳源的裂解機(jī)理、基底氧化機(jī)理、缺陷修復(fù)理論不足等。在理論探究的過程中，結(jié)合實驗結(jié)論，我們發(fā)現(xiàn)甲醇、乙醇等含氧碳源能夠改善襯底上生長石墨烯的質(zhì)量，在體系中引入O₂、CO₂、H₂O等含氧助劑也在不同維度上影響了石墨烯的生長質(zhì)量。這就給我們啟示， O對石墨烯生長過程產(chǎn)生一系列的影響。本研究利用密度泛函理論來探索O在石墨烯生長中的作用。

我們討論了Cu襯底氧化對碳源裂解、成核勢壘、邊緣生長和缺陷修復(fù)的影響。襯底上吸附OH時，CHX的脫氫勢壘明顯降低，總能壘大概為1.9 eV，降為原來的1/2。也就是說Cu襯底上的OH能降低CH₄的裂解能壘，使襯底表面碳物種濃度增大。襯底上吸附單個O對于在Cu_（111）上石墨烯的成核過程沒有表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢，即Cu上吸附O在成核方面沒有影響。此外，在石墨烯或其Cu襯底中吸附的O可以促進(jìn)缺陷修復(fù)和邊緣生長行為。比如，如圖1（a）所示，對于SW缺陷修復(fù)，在Cu襯底上吸附O_Cu時，SW缺陷修復(fù)能量勢壘為4.17 eV。石墨烯表面上吸附O_gra時，SW缺陷修復(fù)能壘為1.04 eV，遠(yuǎn)小于裸Cu襯底的（2.99 eV）。這一結(jié)果表明，O的不同吸附位置對SW缺陷的修復(fù)能壘有很大影響，O_gra可以促進(jìn)SW缺陷的修復(fù)。如圖1（b）所示,從電荷差分密度圖上可以看出，當(dāng)石墨烯的SW缺陷被氧化時，存在明顯的電子轉(zhuǎn)移。O從SW缺陷中獲得一些電子，削弱了SW缺陷的共價C-C鍵。但當(dāng)Cu襯底被氧化時，O從Cu襯底獲得更多的電子，此時SW的C-C鍵沒有電子轉(zhuǎn)移。這個結(jié)果意味著電子轉(zhuǎn)移是缺陷修復(fù)的根本原因。

孫曉莉，北京石墨烯研究院理論計算與仿真中心，課題組長，副研究員。2019年6月畢業(yè)于電子科技大學(xué)，2017年9月-2019年3月留學(xué)南洋理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，2019年7月-2021年7月清華大學(xué)博士后。2021年8月加入北京石墨烯研究院。

主要從事低維電極材料和電催化材料、石墨烯CVD生長過程的微觀機(jī)理研究，以第一作者和通訊作者在Advanced Materials、Infomat、ACS Applied Materials and Interfaces、Advanced Science、Carbon、Nanoscale、Nano Research等國際著名期刊上發(fā)表論文20篇，主持JWKJW項目1項。2009、2010、2011年山東師范大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生干部、優(yōu)秀黨員干部、優(yōu)秀學(xué)生獎學(xué)金，2013年山東省優(yōu)秀畢業(yè)生， 2016年電子科技大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生獎學(xué)金，2017、2018年電子科技大學(xué)一等獎學(xué)金、國家獎學(xué)金，2017年第一屆ECS會議新加坡分場國際會議論文一等獎，2019年清華大學(xué)“水木學(xué)者”，2022年北京石墨烯研究院成瑋科技二等獎，2023年北京石墨烯研究院優(yōu)秀科研人員。

Sun X, Yu C, Yang Y, et al. Theoretical investigations on the growth of graphene by oxygen-assisted chemical vapor deposition. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6452-5