固态提纯方法制备超高纯度单晶石墨 进展

　　高纯材料是现代半导体、新能源和航空航天等尖端科技领域的基础性关键材料，其纯度水平决定了核心器件的性能极限。然而，针对超高升华点（~3000 ℃）的范德华材料（如石墨），传统方法没办法实现有效提纯。目前工业上采用的石墨提纯工艺主要依赖化学浸渍和高温重结晶技术，这一些方法虽然能够部分去除杂质，但相关工艺过程会对石墨的本征晶格结构导致非常严重破坏，导致其电导率、热导率和机械强度等关键性能指标一下子就下降。具有完美晶格结构的超高纯度单晶石墨材料一直处在匮乏状态，是影响量子器件、结构超滑等特种材料发展的一个因素。因此，开发超高纯度石墨提纯方法，突破现有工艺的纯度极限和结构完整性限制，对前沿研究和工业应用具有十分重要的意义。

　　针对上述难题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理实验室白雪冬研究员、北京大学刘开辉教授与合作者提出了“晶格传质-界面生长”的固态提纯新方法，制备出目前已知纯度最高的单晶石墨，材料性能指标全面超越现有商用及科研级同种类型的产品。研究团队以镍晶格为原子级传质媒介，将待提纯的碳原料放置于单晶镍基底一侧，通过精准解析不同元素在镍中的吸附、扩散及析出能垒，构建了具有元素选择性的原子筛提纯机制。该提纯方法如同为碳原子打造了一条“高速专用通道”，仅允许碳原子在镍晶格中定向传质，并在界面处有序外延生长，以此来实现了超高纯度单晶石墨晶体的制备。

　　系统的测试表征证明，制备的高纯单晶石墨材料具备极低的元素缺陷密度（10 ppm，比现有最优石墨低一个数量级）、极小的结构缺陷密度（~0.2 ppb）、完美的Bernal堆叠纯度（99.7%）以及超大的单晶尺寸（~3×3 cm2）。同时，该高纯单晶石墨还可解离为完美单晶石墨烯材料，通过对其进行低温输运测试，发现其具备超高的载流子迁移率（~215000 cm² V⁻¹ s⁻¹）、极低的量子转变磁场（0.3 T）以及完整的整数填充朗道能级。这些结果证明了高纯单晶石墨拥有完美的晶格结构和极低的缺陷密度，在前沿领域应用中具备极其重大价值。

　　相关成果以“Ultrapure Graphite from Solid Refining”为题发表在Advanced Materials 37, 2500461 (2025)上，中国科学院物理研究所博士生丁铭超、北京大学张志斌副研究员、华南师范大学魏文娅教授为共同第一作者。中国科学院半导体研究所谭平恒研究员、中国科学院物理研究所张广宇研究员、北京大学刘开辉教授、中国科学院物理研究所白雪冬研究员为共同通讯作者。文章合作者还有北京大学王恩哥院士、深圳理工大学丁峰教授、中国科学院物理研究所杨威研究员和王理副研究员等。该工作得到国家自然科学基金委、科技部和中国科学院等项目的资助。来源：中科院物理所

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