高純材料是現(xiàn)代半導(dǎo)體、新能源和航空航天等尖端科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)性關(guān)鍵材料，其純度水平?jīng)Q定了核心器件的性能極限。然而，針對(duì)超高升華點(diǎn)（~3000 ℃）的范德華材料（如石墨），傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效提純。目前工業(yè)上采用的石墨提純工藝主要依賴化學(xué)浸漬和高溫重結(jié)晶技術(shù)，這些方法雖然能夠部分去除雜質(zhì)，但相關(guān)工藝過(guò)程會(huì)對(duì)石墨的本征晶格結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致其電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)大幅下降。具有完美晶格結(jié)構(gòu)的超高純度單晶石墨材料長(zhǎng)期處于匱乏狀態(tài)，是影響量子器件、結(jié)構(gòu)超滑等特種材料發(fā)展的一個(gè)因素。因此，開發(fā)超高純度石墨提純方法，突破現(xiàn)有工藝的純度極限和結(jié)構(gòu)完整性限制，對(duì)前沿研究和工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的意義。

針對(duì)上述難題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理實(shí)驗(yàn)室白雪冬研究員、北京大學(xué)劉開輝教授與合作者提出了“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”的固態(tài)提純新方法，制備出目前已知純度最高的單晶石墨，材料性能指標(biāo)全面超越現(xiàn)有商用及科研級(jí)同類產(chǎn)品。研究團(tuán)隊(duì)以鎳晶格為原子級(jí)傳質(zhì)媒介，將待提純的碳原料放置于單晶鎳基底一側(cè)，通過(guò)精準(zhǔn)解析不同元素在鎳中的吸附、擴(kuò)散及析出能壘，構(gòu)建了具有元素選擇性的原子篩提純機(jī)制。該提純方法如同為碳原子打造了一條“高速專用通道”，僅允許碳原子在鎳晶格中定向傳質(zhì)，并在界面處有序外延生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了超高純度單晶石墨晶體的制備。

圖1. 石墨的晶格傳質(zhì)固態(tài)提純方法及元素純度表征

系統(tǒng)的測(cè)試表征證明，制備的高純單晶石墨材料具有極低的元素缺陷密度（<10 ppm，比現(xiàn)有最優(yōu)石墨低一個(gè)數(shù)量級(jí)）、極小的結(jié)構(gòu)缺陷密度（~0.2 ppb）、完美的Bernal堆疊純度（99.7%）以及超大的單晶尺寸（~3×3 cm2）。同時(shí)，該高純單晶石墨還可解離為完美單晶石墨烯材料，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行低溫輸運(yùn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其具備超高的載流子遷移率（~215000 cm2 V?1 s?1）、極低的量子轉(zhuǎn)變磁場(chǎng)（0.3 T）以及完整的整數(shù)填充朗道能級(jí)。這些結(jié)果證明了高純單晶石墨擁有完美的晶格結(jié)構(gòu)以及極低的缺陷密度，在前沿領(lǐng)域應(yīng)用中具有重要價(jià)值。

相關(guān)成果以“Ultrapure Graphite from Solid Refining”為題發(fā)表在Advanced Materials 37, 2500461 (2025)上，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生丁銘超、北京大學(xué)張志斌副研究員、華南師范大學(xué)魏文婭教授為共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員、中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員、北京大學(xué)劉開輝教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所白雪冬研究員為共同通訊作者。文章合作者還有北京大學(xué)王恩哥院士、深圳理工大學(xué)丁峰教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所楊威研究員和王理副研究員等。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目的資助。

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