石墨烯的可控制备物性与器件研究项目可行性研究报告.docx
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石墨烯的可控制备物性与器件研究项目可行性研究报告
石墨烯的可控制备、物性与器件研究项目
可行性研究报告
二、预期目标
本项目的总体目标
本项目的总体目标是在大面积高质量石墨烯的可控、宏量制备，掺杂和化学修饰功能化，基本物性探测和调控，原型器件构建等方面取得一系列具有深远影响的自主知识产权成果，形成有特色的研究体系。
通过对石墨烯材料的一系列重要物性的探测，为新型超高性能石墨烯器件的设计、组装和应用提供重要的依据。
获得一批国际水平的研究成果，使我国在石墨烯研究领域，特别是高质量石墨烯材料制备方面和物性研究方面达到国际前沿水平。
同时，希望通过组织这一项目，形成一些具有国际影响的研究平台，培养和造就一批高水平且有国际竞争力的研究队伍，形成在石墨烯研究领域中具有国际影响的研究群体，提升我国的科学竞争力和科学地位。
五年预期达到的具体目标
1）.发展完善大面积高质量石墨烯制备方法，包括基于SiC单晶基底生长，基于金属基底外延，基于化学气相沉积方法，液相合成方法等；争取在1-2种方法上取得突破，制备出毫米级的高质量石墨烯或新型类石墨烯。
2）．获得可控的对石墨烯进行物理和化学修饰的方法，研究出1-2种基于掺杂、表面修饰和分子组装等新的石墨烯物性调控方法。
掌握石墨烯对外来功能分子及金属原子的生长及自组装结构的调控技术。
3）.从实验和理论上揭示高质量石墨烯的特征电子结构，对其局域电、磁特性作出定量分析。
掌握石墨烯的自旋电子和磁学性能之间的关系。
弄清楚石墨烯的输运性质、光电性能及其性能与结构之间的关系，实现其载流子迁移率调控。
发现石墨烯的一两种奇异性质。
4）．发展1-2种宏量制备石墨烯材料的方法，制备出2-3种基于石墨烯的高性能电极材料，集成并应用于电化学燃料电池和电化学超级电容器中；获得石墨烯精确可控的亚微米结构刻蚀工艺技术，实现石墨烯微纳加工集成。
在分子尺度上搭建石墨烯基纳米结构，理解载流子输运和注入、传输层特性，研制基于石墨烯的纳米电子器件。
在项目开展的五年内：
在国际高水平学术刊物发表论文150篇以上，在国际一流刊物（如Nature，Science，PRL和JACS，NanoLetters等）上发表10篇左右；做40次以上会议邀请报告；取得20项以上国家和国际相关专利；培养一支高水平的、在国际上有重要影响的学术队伍；培养50名以上的博士研究生。
三、研究方案
本项目的学术思路
本项目针对石墨烯这一新物质形态的关键问题及前沿发展动态，结合我们自身的工作基础和国家纳米科学重大科学研究计划开展相关的研究。
重点围绕高质量石墨烯材料这一主线，将物理、化学、材料和微纳加工相结合，研究石墨烯精细几何和电子结构，探测石墨烯的基本物性，掌握石墨烯结构与物性的关联，为基于石墨烯的新型器件研究提供基础；并利用微纳加工技术，构建基于石墨烯的功能器件。
我们以大面积、高质量石墨烯材料的可控制备为主要突破口，以石墨烯基器件应用为导向，强调材料、实验和理论计算之间的互相促进与合作，按照研究手段和研究对象各自的特点，从几个不同但又相互密切关联、相对独立又相互渗透、依存的角度组织课题，有针对性地对石墨烯的若干基本问题开展研究。
例如：
探索几种高质量石墨烯的可控、宏量制备方法；有效实现石墨烯的掺杂和官能团修饰，调控其物性；测量其电、光、磁学等宏观特性和局域性能，研究结构与物性的关联；研制基于石墨烯的电子学和电化学器件等。
在研究课题的设置和队伍的组织上，特别强调物理、化学、材料与信息电子四大学科相结合，理论与实验相结合，基础与应用相结合。
在项目组织上将充分发挥各承担单位各自优势，高度重视课题之间的密切配合与协作。
课题的划分既保持相对的独立性，又注重相互交叉渗透，以保证研究工作前后的衔接和横向的配合，确保项目高效、高质量、顺利地进行。
下面叙述研究的主要技术途径、与国内外同类研究相比的创新点与特色、以及取得重大突破的可行性分析。
本项目的研究方案和主要技术途径
（一）基于SiC基底制备高质量石墨烯，进行结构表征与物性调控。
在平躺石墨烯制备方面：
将采用物理所生长的高质量、大尺寸的导电型和半绝缘型4H-和6H-SiC晶体，将晶体加工成不同偏角或取向的晶片。
偏角SiC基底为（0001）偏4-20。
不同取向的SiC基底包括[0001]、[000-1]、[10-10]、[11-20]、[10-11]、[11-21]等，采用机械化学抛光和氢腐蚀使晶面粗糙度小于0.2nm。
采用脉冲电子束辐照的方法对这些晶片进行热分解生长石墨烯：
使用不同加速电压、辐照时间等技术参数控制晶体表面石墨化，获得大面积、层数可控的石墨烯或类石墨烯新结构；另外，采用热退火方法在SiC基底上外延生长石墨烯：
通过调控退火温度、退火炉的压强和保护气体的流量，有效控制石墨烯的尺寸、厚度和均匀性。
在站立石墨烯的制备方面：
由于站立石墨烯的制备方法与平躺石墨烯的技术方法有截然不同的生长机制，说明生长站立石墨烯有其特殊的生长条件要求。
从我们前期初步获得的经验发现：
生长站立的石墨烯要求生长温度高（1500以上）、提供活性的原子碳源及合适的生长衬底。
我们拥有的PVT炉、SiC基底可以满足这三个基本要素，能够满足垂直站立石墨烯的制备要求。
我们将采用PVT设备，研究衬底表面处理工艺、衬底表面的初始模板化、衬底晶向等对站立石墨烯结构、形貌特征的影响；研究生长参数（温度、压力、气体种类、气体流量和比率等）与石墨烯特征的关系；总结、归纳可控制备垂直站立石墨烯的工艺技术（包括对石墨烯形状、高度、分布密度和分布规律等的控制）；探索利用基底模板化或采用表面催化的方法生长有序排列石墨烯的可能性。
在石墨烯的表征方面：
将对不同工艺条件下获得的石墨烯的结构、形貌特征和物性进行研究，指导生长参数的调整和生长工艺的改进。
将借助相衬光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜等对石墨烯的形貌、结构进行研究和分析；借助Raman散射、X射线光电子能谱（XPS）、角分辩光电子能谱（ARXPS）等对石墨烯的微结构、厚度、均匀性和电子结构等进行研究和分析；借助Hall效应测量石墨烯的迁移率和载流子浓度；借助扫描隧道显微镜（STM）及其配套测试设备，研究站立石墨烯的力学、热电等特性；借助透射和反射谱研究站立石墨烯团簇的吸收特性及该特性与石墨烯团簇物理参数（密度、高度等）的关系。
这些表征方法已被大量的实验证明是研究薄膜材料的有效方法，已在碳纳米管和石墨烯的研究中广泛使用。
承担单位长期从事SiC单晶生长研究，解决了大尺寸SiC晶体生长、加工和清洗的关键技术，可以提供各种尺寸、不同电导率、晶型、晶向和偏角的SiC基底，保证及时、便利地为本课题提供各种所需的SiC基底。
采用脉冲电子辐照技术在SiC基底上外延石墨烯是我们独创的一种制备石墨烯的新方法，有可能对揭示石墨烯的形成过程有所贡献。
我们提出的在不同晶向的SiC基底上生长石墨烯是目前未见报道的，而且可行性很高。
本课题所采用的生长站立石墨烯的设备（PVT）是我们实验室具有自主知识产权的设备，对设备的了解和掌控有利于本课题生长条件的把握和生长参数的控制。
模板法或表面催化方法在制备有序排列的量子点或碳纳米管阵列中已获得成功应用，有可能为制备有序排列的站立石墨烯提供可能性。
前期在SiC衬底上外延生长石墨烯的扎实积累，对生长站立石墨烯有启发和借鉴意义，可以帮助我们敏锐地把握站立石墨烯不同于平躺石墨烯特有的物理特征。
（二）基于金属基底，开展大面积、高质量石墨烯的分子束外延法制备，并研究石墨烯的长程结构特征及其局域的电、磁特性。
拟采用若干种和石墨烯晶格匹配的金属单晶体为基底【例如，Ru（0001），Ni（111），Ir（111），Pt（111）等】，热解预先设计好的含碳化合物【例如，乙烯，乙炔，苯，吡啶等】，探索制备出大面积高质量石墨烯。
在洁净的高真空环境中，石墨烯可望铺满整个基底，达到大面积目标。
在亚原子单层的沉积速率控制下，可望获得近似零缺陷的石墨烯，这将是全新的，为进一步的研究奠定坚实的基础。
在制备过程中，我们将尝试通过一系列手段调节、控制膜结构的层数和元素掺杂。
另外，从实验结果出发，配合分子动力学模拟，优化设计实验方案，提高产率和质量的均一性。
在实验上，利用国际先进的超高真空–有机分子束外延–低能电子衍射–扫描隧道显微镜（UHV–OMBE–LEED–STM）联合系统来制备样品，实时获得生长过程中样品的准确信息，实现对分子生长过程的精确监控。
超高真空系统提供获得原子级平整单晶表面的必要条件。
OMBE可以精确到亚单层的沉积速率，保证高质量无缺陷石墨烯结构的获得。
LEED可以很好地表征样品的长程有序度。
研究石墨烯的长程结构及其结构单元的电子结构、原子结构和生长机制。
STM可以研究产物的精细几何结构和电子态结构。
特别是低温STM可以在4K以下温度工作，从而可以抑制原子和分子在表面的扩散，消除温度对电子态的展宽，得到准确的、本征的电子结构信息。
在结构和物性研究方面，将采用STM结合第一性原理理论计算研究其原子结构和电子结构。
测量石墨烯中缺陷处在不同偏压下的微分谱像，根据缺陷周围局域态密度随偏压的变化特点，算出石墨烯中载流子的迁移速度。
测量石墨烯膜的扶手椅型（arm-chair）边缘和锯齿型（zig-zag）边缘的局域电、磁性质。
理论上预言有不同的磁性，STM使我们可以确认石墨烯的边缘态并研究其局域的电、磁性质。
通过四探针扫描隧道显微镜（4P-STM）（达到原子级分辨），配合使用Keithley4200半导体测试仪，可实现样品的四端法测量，该设备样品台可进行从30K到500K变温，研究热、光等对石墨烯体系的电输运性质的影响。
在此基础上，我们可以进一步在单分子水平研究石墨烯对外来功能分子[酞菁过渡金属化合物，并五苯等]或金属原子[高导电性的金，银；磁性的铁，钴；催化性质的铂等]的生长及自组装结构的调控，研究其对功能分子物性的调控，如磁性分子的近藤效应（Kondoeffect）和塞曼效应（Zeemaneffect）等，研究石墨烯不同边缘态处结构对物性的影响。
研究石墨烯及石墨烯基材料体系输运特性：
包括石墨烯的电学输运性质和热电性质的研究等。
更进一步，我们将开展石墨烯上磁性分子中量子隧道和量子相变的研究。
大量状态的统计平均总是会掩盖量子态的分立特性，宏观量子效应在固体材料上很少可以直接观测到，但也有例外，如Josephson效应、deHass-vanAlphen效应和量子霍耳效应等。
因此，当人们发现在宏观的分子磁体的磁滞回线上出现等磁场间隔的一系列台阶，立刻引起了国际学术界的轰动；这是分子磁体中量子自旋态之间的宏观量子共振隧道现象的直接证据。
在这方面，我们将研究单个磁性分子在石墨烯上的量子自旋态及其量子共振隧穿。
在强磁场和极低温下研究石墨烯的量子输运行为，量子相干特性，以及金属绝缘体相变等基本问题。
研究杂质引起的局域化，局域态和非局域态间的转变等。
（三）开展石墨烯的化学修饰和功能化。
以实现石墨烯的功能化为目标，以石墨烯的结构修饰为研究重点，为石墨烯的性能研究及电子器件的提供材料基础。
（1）以不同的金属为催化剂和使用不同的碳源，采用化学气相沉积方法生长石墨烯，优化石墨烯材料的生长条件，采用模板，化学修饰等手段调控石墨烯的尺寸和形貌，可以更方便实现石墨烯的图案化，有利于构筑光电器件。
利用掩膜和石墨烯再生长两种技术途径，直接生长异质结或半导体P-N结，并进一步研究它们的输运性质和光学性质。
（2）利用化学法合成石墨烯,例如以苝和苝酰亚胺等功能分子为结构单元构建不同长度、形状的共轭带状分子体系，发展结构确定石墨烯纳米带分子可控合成的高效方法，实现分子结构和分子量可控。
引入各种原子，包括非金属原子（如N，S，Se，P等）和金属原子（如Ni2+，Pd2+，Pt2+等）来构筑新型石墨烯，改变石墨烯的能带结构和电子性能，以期获得性能优异的新型的石墨烯材料。
并对掺杂原子的浓度进行控制。
拟合成的含各种原子的新型石墨烯材料包括：
每个结构单元中含有单个掺杂原子的石墨烯分子；含多个同种掺杂原子的石墨烯分子；含多个不同掺杂原子的石墨烯分子。
探寻掺杂原子的引入与石墨烯光、电等性能之间的联系。
（3）选用具有特殊光学、电学以及磁学性能的共轭高分子体系，其主链由各种共轭的芳香环组成，2000年的诺贝尔化学奖就是授予这个领域。
使石墨烯和共轭高分子体系键合，得到稳定和结构均一的新型石墨烯复合功能材料，并研究其可能的各种特异性能。
目前，石墨烯与高分子之间更多的是物理方法的混合。
存放时间长一些后，往往组分分布不变得均匀，造成体系性能的降低甚至丧失。
（4）通过红外光谱、拉曼散射光谱、电容电阻测量、深能级瞬间响应谱（DLTS）、霍尔效应等方法分析功能化石墨烯材料的晶格振动、电导率、深能级缺陷、载流子的浓度和迁移率的变化；通过传导电荷的测量，研究石墨烯掺杂有机材料作为传输层与器件匹配后的载流子迁移能力；通过X射线光电子能谱、紫外光电子能谱研究器件各层之间的能级匹配关系，结合器件的电学性能及发光性能（亮度、效率）的测量，研究能级匹配与电学、发光性能之间的规律。
（四）设计和开发新型石墨烯器件。
基于石墨烯大规模制备技术，将获得的宏量石墨烯材料制备成电催化剂以及电极材料，采用三电极测试池研究基于石墨烯电极材料的电化学反应性能；以石墨烯为电极材料，集成并构建超级电容器；结合微加工技术，对所获得的大面积石墨烯进行裁减加工，搭建电极，探讨性能丰富、独特的器件；通过混合曝光提高石墨烯电子纳米器件的制作效率，降低制作成本，实现纳米尺度精确可控的纳米电子学器件。
（1）以碳化硅颗粒为前驱物，采用高温热解法制备宏量、自支撑石墨烯材料，将金属催化剂担载到石墨烯表面并制备成电极材料，在三电极电池体系下测量基于石墨烯的电催化材料的循环伏安（I-V）曲线，研究包括氧还原反应（ORR）、甲醇氧化反应等电化学反应性能；在碳化硅单晶生长垂直取向的石墨烯结构，对石墨烯进行担载金属或化学官能化，以碳化硅晶体支撑的石墨烯材料作为电极，研究其在燃料电池中的催化性能。
（2）利用过渡金属碳化物为前驱物，高温选择性反应去除金属原子制备石墨烯材料；选择具有层状结构的碳化物结构，在选择性去除金属后制备高比表面积、多孔的石墨烯片层材料；选择水溶液和有机溶液两类电解质体系，将石墨烯电极材料与集流器集成构建超级电容器模型原件；利用电化学工作站评价电容器的循环伏安特性、充放电性能、安全性等，研究石墨烯的比表面积、孔隙率、导电性等对超级电容器性能的影响。
（3）利用CMOS工艺在硅基衬底上制作基于石墨烯材料的晶体管，利用光学光刻或电子束光刻和金属剥离工艺在石墨烯上制备出金属电极作为源、漏电极。
利用常温、低温探针台、精密半导体参数测试仪、脉冲源等仪器在不同温度下和不同磁场下测量晶体管各电极间的直流和脉冲I-V及C-V曲线，从而测试阈值电压、开关比等一系列的电学特性，分析材料的输运特性，研究器件尺寸对器件性能的影响。
（4）研制石墨烯传感器。
利用上述微加工技术制作石墨烯晶体管，置入特定的气体或液体环境中，石墨烯吸附分子或离子后，晶体管的开关响应和载流子迁移率等将发生变化，研究响应的灵敏度和检测对象的选择性。
进一步地，研究化学修饰或掺杂后的石墨烯器件的灵敏度；选择特殊的化学修饰或掺杂的分子、原子，使石墨烯传感器的具有特定的用途。
（5）研制石墨烯光电子器件。
研究石墨烯材料体系的光学特性：
包括石墨烯材料中喇曼散射和电子-声子耦合的研究；石墨烯光学吸收和反射性质研究；石墨烯材料Landau能级的光谱研究等。
探索石墨烯作为光伏器件电子受体材料的构造与特性，设计研究基于石墨烯有机光伏器件激活层的微结构，通过对基于石墨烯光伏器件成膜氛围、基板温度和退火方法等问题的探索，控制石墨烯层的尺寸、功能和器件结构，进一步控制合成微观结构有序、均一的复合体；再将具有一定方向性的高迁移率的无机分子以规则排列的方式与导电聚合物制成薄膜，为载流子提供连续有效的传输途径。
（6）研制石墨纳米生物传感器件。
高集成密度石墨烯传感器阵列应用于高空间分辨率的细胞电生理检测。
结合纳米加工技术和细胞生物学方法，构造多个石墨烯纳米电子元件与神经细胞的人造突触组成的传感阵列。
通过检测信号之间的关联性，研究同一细胞的不同位置及不同细胞间电生理信号的关联，为理解神经元网络的信号传导机制提供新方法。
（五）开展石墨烯基本物性的理论研究。
发展和完善研究石墨烯的理论与计算方法，对实验体系进行模拟与分析。
拟将采用电子输运理论、紧束缚近似方法、电子密度泛函理论，侧重研究石墨烯的电子结构和（自旋）输运特性、铁磁-石墨烯-铁磁自旋阀、石墨烯组成的量子点、石墨烯与超导耦合、磁场下电子（自旋）输运、最小电导、无序效应、石墨烯的光电特性等。
发展和完善石墨烯的电子结构计算方法和（自旋）输运理论,定量描述石墨烯结构和物性之间的关系，解释石墨烯的相关实验结果，探索化学修饰的微观机理，发现和研究石墨烯光电响应机制，调制石墨烯的电子结构和磁学性能的机制，为我国石墨烯的实验和应用研究提供一些有意义的理论依据和指导。
具体选择性地解决下述几个关键问题：
1）石墨烯材料局域电学特性定量分析；2）石墨烯掺杂对载流子迁移率的调控；3）石墨烯体系中Dirac费米子的输运问题；4）金属基底上石墨烯对于整个体系热电性质的调制作用；5）石墨烯电学输运性质的研究。
与国内外同类研究相比的创新点与特色
本项目的开展具有重要的现实意义和长远的战略意义。
石墨烯在短时间内很快成为国际研究热点，源于它表现出来的许多奇异性能使它很可能成为构成未来微纳电子器件、光电子器件、电化学储能器件等的新基石。
而我国在这一国际前沿研究领域还刚刚起步。
因此，本项目的开展不但可以弥补我国在石墨烯研究方面的弱势，摆脱落后的局面，使我国在石墨烯研究方面在国际上迎头赶上，也有可能使我国在石墨烯的某些特殊物性的研究上有所突破、拥有国际竞争力和地位。
同时可继续保持和加强我国在碳纳米材料研究方面的国际影响力，为我国在石墨烯材料和器件的自主创新方面奠定坚实的基础。
在项目设计上，研究内容从石墨烯制备到物性研究，再到调控性能和原理器件研制，既突出研究重点，也强调课题间有机的衔接和配合，同时也体现了很好的系统性。
本项目拟选择高质量、大面积石墨烯材料的制备作为切入点，利用我国在纳米材料制备方面积累的实验条件和研究基础，探索几种新的可行性的制备方法，例如发展脉冲电子辐照技术制备石墨烯、探索制备垂直站立石墨烯的新方法、在不同SiC晶向的基底热分解法制备石墨烯，在金属基底上制备石墨烯等新方法，化学合成石墨烯等，力争在制备方法上取得1-2项的重大突破。
在制备高质量石墨烯的基础上，进行物性及其性能调控研究，并深入开展与之相关的理论研究，形成实验验证理论，理论指导实验，这是本项目的另一特色与创新。
基于高质量石墨烯其物性调控的认识，开展新型物理化学器件的研究，也是本项目的一大特色。
本项目在研究内容、关键科学问题的凝炼和研究目标的确立方面具有自己的特色。
将重点围绕高质量石墨烯材料这一主线，开展石墨烯精细结构和基本物性探测，探索结构与物性的关联，研发石墨烯器件构建等相关基础问题。
除了达到摆脱当前落后局面这一目标，也为我国在石墨烯方面的研究水平尽快进入国际先进行列提供重要的保障。
取得重大突破的可行性分析
本项目取得重大突破的基本要素是完全具备的：
（1）研究对象是新颖的，蕴含很多需解决的重要科学问题。
石墨烯这一物质结构形态自2004年发现以来，其研究成果对凝聚态物理的发展可能产生重大影响，并存在重大应用前景，对新物性、新器件的发现和产生具有深远意义。
它已经成为国际学术界关注的热点之一，成为各国竞相争取的又一科技制高点。
但尽管如此，由于研究历史短，许多重要、关键的科学问题尚不清楚，许多可能影响整个凝聚态物理重大发展的新现象、新规律和新用途还有待去发现和认识。
例如：
获得一定产率的、均匀的、大面积、高质量的石墨烯的有效制备方法，仍然亟待研究；发展石墨烯材料的可控、宏量、低成本制备新技术；如何精确表征石墨烯的原子结构、局域电子态和边缘态，尚待解决；石墨烯的输运性质与原型分子器件及其性质有待深入研究；所有这些方面都将带给我们机遇。
集中力量在这些方向上开展创新性的工作，完全有望取得重大突破。
（2）技术方案与现有研究基础和研究条件很好地匹配。
当前高质量石墨烯的制备是个急需解决的问题。
本项目拟选择高质量大面积石墨烯材料的制备作为的切入点，利用我们已经长时间积累的研究基础和研究条件，制定了多种可行的技术方案。
例如：
利用我们自己生产的高质量SiC晶体及其高精度表面加工，基于SiC单晶基底制备平躺和垂直站立的石墨烯，并实现对石墨烯材料几何结构和特征的可控制备；利用我们在单分子水平对分子结构和物性调控方面的经验，采用金属和硅单晶作为基底热解含碳化合物制备石墨烯，研究它的载流子迁移率和边缘态特征，并研究功能有机分子在其表面及边缘的结构和物性；利用在富勒烯和碳纳米管材料制备方面积累的实验条件和研究基础，进行石墨烯的化学制备和功能化修饰。
同时本项目也将开展石墨烯精细几何和电子结构及其它物理性质和器件开发等相关基础问题的研究。
可以看出，这些技术方案不但结合了我们的研究基础和研究特长，而且包含很多创新点，这些研究的开展可望产生国际一流的研究成果。
（3）研究团队实力雄厚。
项目组成员是由一批年轻有为、精力充沛、思维敏捷、富于挑战和创新的中、青年科学工作者组成。
他们已在纳米科技相关研究领域取得了一系列重要进展，做出了一批有影响的创新性工作。
如在国际超一流刊物上发表了几十篇论文，包括：
Phys.Rev.Lett.30篇，J.Am.Chem.Soc.15篇，Angew.Chem.Int.Ed.6篇，Adv.Mater.10篇，NanoLetters10篇。
同时，课题组成员中有多人在美欧日等国际一流课题组中有研究、学习、访问进修的经历，为本项目取得重大突破提供了人员力量的保证。
（4）课题承担单位具备国际先进的研究平台。
本项目承担单位为中科院物理研究所，中科院化学研究所，中科院大连化物所，国家纳米科学中心，北京交通大学和武汉大学，这些单位在纳米结构制备、观测和物性表征、及器件应用等方面建立了一整套较为系统完善的具有国际先进水平的技术支撑平台，可为本项目的实施提供重要的实验设备保障。
课题设置
各课题间相互关系
根据总体研究目标及拟解决的关键科学问题，本项目将设置四个课题。
在设置课题时充分发挥各承担单位的优势，并高度重视课题之间的密切配合与协作。
课题的设置既保持相对的独立，重点突出，又相互衔接交叉，围绕研究目标，形成有机的研究体系。
（1）做到重点突出而不失系统性：
以高质量石墨烯的制备为主线，结合我们已有的研究基础，开展多种制备方法的探讨，同时进行精细结构表征，基本物理问题探索，基本物性测量及原型器件构建的研究；
（2）充分发挥各参加单位的优势和学术骨干的专长，以及在材料制备和物性研究方面的坚实基础，通过系统化的研究内容将所有承担该项目的研究人员紧密结合在一起；（3）强调研究的突破点、原创性和系统性的结合。
如下图所示，四个课题各有侧重点，而且相互衔接交叉，形成了完整的高质量石墨烯材料制备、结构表征及基本物性和原型器件探索的研究框架体系，理论研究与实验研究密切联系，多学科背景的研究人员交叉协作，将为在石墨烯相关前沿问题上取得重大突破，为实现本项目预期目标提供了有利条件和必要的保障。
课题1：
高质量石墨烯的可控制备
研究目标：
发展完善高质量石墨烯制备方法，包括基于SiC单晶基底生长，基于金属基底外延，化学气相沉积法生长，化学液相合成法生长等；争取在1-2种方法上取得突破，制备出高质量石墨烯或新型石墨烯材料。
发展石墨烯的低成本宏量制备技术。
为基于石墨烯新一代电子元器件的探索提供高质量的材料，奠定强有力的实验基础。
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