化學氣相沉積宏量制備高品質石墨烯薄膜

楊金龍

中國科學技術大學，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥 230026

石墨烯自發現以來，因其非常優異的電學、熱學、光學和力學等性能，在高端電子、能源存儲、復合材料等領域有著廣闊的應用前景1。為了解決石墨烯的宏量制備和應用問題，自2009年以來，化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法逐漸成為制備高品質石墨烯薄膜的最有效手段之一2。CVD方法制備的石墨烯因其具有質量高、層數可控、可放大性好等特點，近幾年被廣泛地關注，并取得了迅速發展。然而，理想與現實之間卻存在著巨大的差距。在CVD制備過程中會產生大量的缺陷、晶界3和褶皺4，嚴重影響石墨烯的優異性質。與此同時，石墨烯轉移的過程中引入大量的表面污染與破損，也嚴重限制了CVD石墨烯薄膜的進一步的應用5。石墨烯CVD的宏量制備，對石墨烯的CVD設備和工藝提出了更高的要求，實現石墨烯均一度和質量的控制變得尤為困難。因此，如何實現高品質CVD石墨烯薄膜的宏量制備，維持其優良的電子結構和物理性質，實現石墨烯層數、疇區尺寸6、堆垛方式7、缺陷濃度8、摻雜濃度、平整度和潔凈度的精確控制成為石墨烯CVD制備的重中之重。

最近，針對以上問題，北京大學劉忠范教授課題組和彭海琳教授課題組應邀在國際化學領域權威綜述刊物Chemical Reviews上發表題為《化學氣相沉積制備石墨烯—理想與現實》的綜述文章9，詳細地綜述了自CVD方法制備石墨烯提出以來，在高品質石墨烯制備方面的研究進展，并對高品質石墨烯的制備進行了展望。作者從碳同素異形體的成鍵和制備問題出發，系統地歸納和探討了CVD法制備石墨烯基本條件和涉及的熱力學與動力學問題，并在此基礎上詳細地討論了石墨烯CVD過程中涉及的氣相輸運、前驅體表面吸附和裂解、活性碳物種的表面遷移、石墨烯的成核與生長、石墨烯疇區拼接等基元步驟。并在此基礎上，討論了高品質石墨烯制備涉及的晶界缺陷、低生長速度、褶皺和污染物等問題和目前的解決方案。與此同時，作者也對石墨烯工業放量制備存在的設備和質量控制等問題進行了詳細的闡述，并提出可行的解決方案。最后作者對高品質石墨烯的未來進行了展望，提出了高品質石墨烯的制備應立足于對CVD基本過程的理解、有效的石墨烯品質評估手段和宏量制備設備的改進等前瞻性意見。

文中報道的一系列創新性研究成果，指明了高品質石墨烯薄膜的高端應用方向，對促進石墨烯產業的良性可持續發展有重要意義。此項工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研究計劃、北京市科委項目的經費支持。