石墨烯在铜上生长的主要原因是铜的碳溶解度低，有利于基于表面的生长机制，从而产生高质量、大面积的石墨烯薄片。这种方法在化学气相沉积 (CVD) 过程中尤为有效，因为铜在其中既是催化剂又是基底。
详细说明：
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铜的低碳溶解度： 与镍等其他过渡金属相比，铜的碳溶解度较低。这一特性至关重要，因为它允许石墨烯采用基于表面的生长机制。在 CVD 过程中，当铜在高温下接触气态碳氢化合物时，碳氢化合物中的碳原子不会轻易溶解到铜中，而是在铜表面形成石墨烯层。这导致石墨烯直接在铜表面形成，而不会大量融入金属基底。
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表面生长机制： 铜的表面生长机制具有优势，因为它通常能产生更少的缺陷和更高质量的石墨烯。由于石墨烯是直接在表面上形成的，因此不太可能受到杂质或缺陷的影响，而这些杂质或缺陷可能是与金属块相互作用产生的。这与镍形成鲜明对比，镍的碳溶解度较高，会导致碳扩散到金属块中，然后在冷却过程中析出石墨烯，通常会产生缺陷较多的多层石墨烯。
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大面积石墨烯生产： 铜基底之所以受到青睐，还因为它可以生产大面积的石墨烯薄片。使用铜外壳作为基底为石墨烯提供了一个大面积的沉积场所，通过对温度和压力等 CVD 工艺参数的精心控制，研究人员已经能够生长出尺寸达 2 毫米的单晶石墨烯薄片。这种可扩展性对于实际应用非常重要，尤其是在电子和光电子领域，因为这些领域需要大面积、均匀的石墨烯薄膜。
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减少转移挑战： 直接在铜上生长石墨烯还能减轻将石墨烯从生长基底转移到其他基底以制造器件所带来的一些挑战。在铜上直接生长石墨烯的优势在于，铜可以作为最终器件结构的一部分保留下来，从而减少了转移的需要，并有可能提高器件的整体性能和可靠性。
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强化表面处理： 研究人员还开发了在 CVD 过程之前对铜基底进行处理的技术，以进一步提高在铜上生长的石墨烯的质量。这可能涉及化学处理，以降低催化活性、增加铜的晶粒尺寸并改变表面形态，从而促进石墨烯的生长，减少缺陷。
总之，石墨烯在铜上的生长是由金属的低碳溶解度驱动的，这种低碳溶解度支持基于表面的生长机制，从而产生高质量、大面积的石墨烯。这种方法在 CVD 工艺中尤为有效，在可扩展性和直接集成到电子设备的潜力方面具有显著优势。
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