在金属表面(Ni、Cu等)催化生长是制备石墨烯的常用手段,但对石墨烯生长过程的观察还不够详细,使得对其生长机理的理解还不够深入。因此,对金属衬底上的石墨烯生长过程进行高空间和时间分辨的原位表征有助于人们完善石墨烯生长机制。本论文利用高分辨透射电镜和原位气相系统,实现了对纳米多孔金(NPG)表面石墨烯生长从初始到完成所有动态过程的原子尺度和毫秒时间分辨的原位观察,取得了一些有意义的成果。具体的研究成果如下:(1)NPG催化甲烷热解形成的富碳环境中生长石墨烯的方式,既不是传统意义的“偏析加沉淀”方式也不是“表面吸收”方式,而是以大量石墨烯小片段动态的连接与断裂相互竞争的方式进行生长。高空间和时间分辨的原位观察结果表明:先在NPG表面的非晶碳层中形成大量的石墨烯小片段,它们因周围碳原子的吸附生长而形成二维连接。生长后的石墨烯被甲烷热解产生的中间体剧烈运动而撕碎,撕碎的石墨烯碎片被碳原子重新连接。石墨烯的生长一直处于连接和断裂的动态竞争之中,直到形成大面积石墨烯。(2)NPG表面还存在另一种石墨烯内层层状生长方式。由于Au中碳的溶解度极低,且是内层生长,因此这种生长方式也不同于传统的“偏析加沉淀”和“表面吸收”模式。首先NPG表面的石墨烯在甲烷热解过程中被撕碎,形成碎片状的石墨烯。缺陷处成为气体和NPG催化接触的通道,进而在缺口附近形成大量新的非晶碳,这些非晶碳为石墨烯的内层生长提供了充足的碳源。(3)富碳环境中生长石墨烯,同时存在石墨烯和非晶碳对碳原子的动态竞争。NPG表面大量的非晶碳可以作为碳源,在石墨烯片段的边缘规则排列,促进石墨烯的生长。同时,剧烈运动的非晶碳也会“撕扯”石墨烯上的碳原子,把它们重新非晶碳化,使得石墨烯逐渐消失。