在国家自然科学基金项目（批准号：T2188101）等资助下，北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范教授、孙禄钊研究员团队与合作者在二维材料层数可控外延生长领域取得进展。相关研究成果以“异质催化衬底上石墨烯层数控制同步外延生长（Edge-feeding synchronous epitaxy of layer-controlled graphene films on heterogeneous catalytic substrates）”为题，于2025年7月1日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60323-1。

　　二维材料（如石墨烯、六方氮化硼）的物理特性强烈依赖于其原子层数，实现层数精确可控制备是推动其走向产业应用的关键。然而，这类材料表面无悬挂键，生长机制与传统体相材料迥异，导致层数均匀性差，难以实现真正的逐层外延，成为制约其规模化制备的核心瓶颈。

　　针对这一挑战，研究团队设计并制备了Cu-Cu₂O异质催化衬底，提出了“边缘供碳”“同步外延”的生长策略，利用Cu₂O催化剂在石墨烯边缘同时发挥多重关键作用：高效裂解碳源前驱体、促进碳原子向石墨烯生长前沿有效扩散、稳定石墨烯边缘并约束其初始成核层数，从而诱导多层石墨烯同步成核并实现“齐头并进”式同步生长，从根本上规避了传统逐层生长模式中随机成核所导致的层数不均问题。基于该策略，研究团队实现了2至7层石墨烯薄膜的精准控制生长，在国际上率先完成了A3尺寸（42 cm × 30 cm）均匀三层石墨烯的批量制备，其层数均匀性超过98%，并表现出卓越的机械强度和转移完整度。

　　此项研究不仅为二维材料的层数精准可控制备提供了创新方法，也为其在下一代高性能电子器件、量子技术及复合材料等领域的实际应用奠定了坚实的材料基础。

图 石墨烯层数可控制备的挑战与同步外延生长策略