北京大学刘忠范、彭海琳综述：石墨烯化学气相沉积制备方法

2018-10-18 12:53:20 作者：本网整理来源：北京大学分享至：

石墨烯是具有独特的二维蜂窝状晶体结构的新型纳米碳材料，其电学、热学、光学和力学等性能非常优异，在高端电子和光电子器件、能源转化与存储、复合材料等领域有着广阔的应用前景。“制备决定未来”，石墨烯的化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）制备方法自2009年被发明以来，已经取得了长足进展，是目前低成本制备大面积高品质石墨烯薄膜的最有效方法，具有良好的可控性和可放大性。然而，CVD石墨烯薄膜在制备的过程中会产生缺陷、晶界和褶皱，制备和转移的过程也会造成表面污染与破损，因此限制了其进一步应用。尤其是，作为新一代高性能碳基电子器件的核心材料，石墨烯的能带结构和物理性质与其层数、堆积方式、畴区尺寸、缺陷浓度和掺杂类型密切相关，而这些因素的精确控制是石墨烯制备的难点。

近十年来，北京大学化学与分子科学学院刘忠范院士课题组和彭海琳教授课题组在石墨烯的化学气相沉积制备和应用领域取得一系列重要进展。针对高品质石墨烯薄膜的CVD制备与具体应用，课题组建立和发展了石墨烯单晶和薄膜的结构精确调控的多种CVD生长方法，并率先实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆、大面积石墨烯薄膜的连续批量制备和绿色无损转移，研制了超级石墨烯玻璃、旋转双层石墨烯光电器件和单晶石墨烯PN结光电探测器件。上述一系列创新性研究成果解决了高品质石墨烯薄膜材料难以低成本、批量制备的瓶颈问题，建立了具有核心自主知识产权的高品质石墨烯薄膜的稳定生产工艺，初步实现高质量石墨烯薄膜的可批量制备，进而为高品质石墨烯薄膜的高端应用指明方向，将促使石墨烯产业的良性可持续发展。

最近，刘忠范课题组和彭海琳课题组应邀在国际化学领域权威综述刊物Chemical Reviews上发表题为“化学气相沉积制备石墨烯——理想与现实”的综述文章（Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene. Li Lin, Bing Deng, Jinyu Sun, Hailin Peng*, Zhongfan Liu*, Chem. Rev. 2018, 118, 9281?9343）。这也是自CVD石墨烯制备方法提出近十年来，综述期刊Chemical Reviews首次刊登石墨烯薄膜的化学气相沉积制备方面的综述文章。该文主要介绍碳材料的成键和制备历史、CVD法制备石墨烯的热力学过程与生长动力学机制，讨论了生长条件对石墨烯畴区尺寸、形貌、缺陷、生长速度、层数和质量的影响，并对高质量石墨烯材料的制备方法进行总结，展望了未来制备高质量石墨烯薄膜的研究方向。

此外，课题组还应邀在Advanced Materials上撰写了题为“走向CVD石墨烯薄膜的规模制备”的综述文章（Toward Mass Production of CVD Graphene Films. Bing Deng, Zhongfan Liu*, Hailin Peng*. Adv. Mater. 2018, 30, 1800996），集中阐述了基于CVD方法的石墨烯薄膜规模制备的研究现状与未来发展方向。该综述首先介绍了CVD方法制备石墨烯的基本原理，然后详细分析了控制石墨烯质量的工程原理，包括制程、制备设备以及关键工艺参数等，最后讨论了石墨烯薄膜的大面积均一性和快速表征方法，该文指出石墨烯规模化生产所面临的挑战，对石墨烯薄膜材料面向工业规模的制备具有一定的指导借鉴意义。

在Chem. Rev.和Adv. Mater.上介绍石墨烯化学气相沉积制备方法