石墨烯的超结构，主要是通过其莫尔条纹（图5.9和图5.10）来估测的。莫尔条纹是由于石墨烯和基底之间的晶格失配造成的。对超级结构的研究可使用原子分辨率的扫描隧道显微镜（STM）、X射线光电子能谱、拉曼光谱和密度泛函理论计算等。这些研究主要是使用钌、铜、铱和镍来进行的。

图5.9 石墨烯不同的莫尔条纹 Copyrightⓒ 2011，Rights Managed by Nature Publishing Group；Courtesy：MacDonald and Bistritzer，Nature，2011，474（7352）.

5.7.2.1 使用钌改变石墨烯的超级结构

以钌作为基底并将石墨烯层在其上进行沉积，对此人们已做了许多尝试[马尔基尼等（Marchini et al.），2007；潘等（Pan et al.），2007，2008；巴斯克斯德帕尔加等（Vazquez de Par-ga et al.），2008；萨特等（Sutter et al.），2008；江等（Jiang et al.），2009]。为此，含有一些残留碳的商业用钌也被使用并在超高真空中进行退火。退火温度为1000～1400K，碳从钌中分离并作为一个单层沉积在钌的表面。

近来，人们尝试在钌（0001）基底上外延生长来大规模制备高品质的单晶石墨烯[李等（Li et al.），2009]。由于石墨烯和钌（0001）之间的晶格失配而形成了石墨烯/钌（0001）的莫尔条纹。使用这种超级结构为模板，组装的有机分子与基底之间产生的相互作用可改造不同的超结构。其未来的应用前景十分广泛。

图5.10 当石墨烯被扭转时，其莫尔条纹像万花筒一样变化，呈现出不同的莫尔条纹

5.7.2.2 使用铜改变石墨烯的超级结构(www.daowen.com)

在单层铜晶体上，在超高真空（1×10^-10Torr，1Torr=133.3Pa）和800～1100℃下，让碳氢化合物（乙烯）通过化学气相沉积装置来生长单层石墨烯，然后如扫描隧道显微镜所示，石墨烯的生长主要与底层铜晶格相匹配，这在铜（111）和铜（100）上是相同的。在铜（111）上生长的石墨烯具有六方晶系结构，而在铜（100）上其具有线性的超结构，如图5.11所示。石墨烯薄膜的质量取决于铜基底的结构。最好的生长发生在具有六方晶相的铜（111）表面，因为它与石墨烯的六方晶相是匹配的。与在其他类型表面铜（100）上生长的石墨烯相比，铜（111）表面上生长的石墨烯具有更大的域尺寸。更大的域能提升石墨烯的电学性质。拉曼光谱分析能使人们了解铜颗粒的晶体取向，这对于了解石墨烯薄膜的质量是必要的。

5.7.2.3 使用镍改变石墨烯的超结构

与铜类似，利用化学气相沉积工艺，多晶镍也被用于改造石墨烯层的可控厚度和尺寸[赵等（Zhao et al.）和李等（Li et al.），2009]。值得一提的是在这个过程中，石墨烯层的形态取决于热解完成后的冷却速率。为了解金属表面取向对石墨烯形态和结构的影响，使用了孤立的具有不同取向晶面的三维镍膜岛（厚度约0.3nm）[村田等（Murata et al.），2010]，石墨烯在这个镍岛上进行沉积。高定向热解石墨（HOPG）作为前体，同时也作为镍沉积的基底。

图5.11 （a）将清洁的铜（111）在900℃下暴露于3×10^-5L乙烯后得到的原子梯形图（V=0.6V，I=1.0nA）显示整个表面呈现六边形结构，且底层的铜出现点缺陷。500×500nm²形貌图（插图）展现了原子的梯形 （b）高分辨率的形貌图显示铜上石墨烯的原子大小的结构。石墨烯的蜂窝晶格（插图） （c）化学气相沉积制备的石墨烯的拉曼光谱（去除了铜发光背景后） （d）（左）铜（111）上石墨烯叠加的示意图 （右）θ=0°时所得的上部结构的大比例尺图 Copyrightⓒ 2011 Elsevier Ltd，All Rights Reserved；Courtesy：Zhao et al.；arXiv，1008，3542，2010.

使用超高扫描隧道显微镜扫描在镍（111）和镍（110）上石墨烯的生长和结构，对三维镍岛的不同面进行研究的结果表明，在镍（111）和镍（110）表面生长的石墨烯分别呈现出六边形和条纹的莫尔超结构。

基于生长结果，大面积的单晶生长具有可能性，在多晶金属薄膜或箔上低成本、大规模制备石墨烯的潜力也是明确的。石墨烯在镍表面体现出的金属行为是令人振奋的，因为金属-石墨烯的接触（欧姆接触或肖特基接触）特性对于以石墨烯为基础的设备是十分重要的。