化學(xué)氣相沉積宏量制備高品質(zhì)石墨烯薄膜

楊金龍

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026

石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其非常優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性能，在高端電子、能源存儲(chǔ)、復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景1。為了解決石墨烯的宏量制備和應(yīng)用問(wèn)題，自2009年以來(lái)，化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法逐漸成為制備高品質(zhì)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(zhì)量高、層數(shù)可控、可放大性好等特點(diǎn)，近幾年被廣泛地關(guān)注，并取得了迅速發(fā)展。然而，理想與現(xiàn)實(shí)之間卻存在著巨大的差距。在CVD制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的缺陷、晶界3和褶皺4，嚴(yán)重影響石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)。與此同時(shí)，石墨烯轉(zhuǎn)移的過(guò)程中引入大量的表面污染與破損，也嚴(yán)重限制了CVD石墨烯薄膜的進(jìn)一步的應(yīng)用5。石墨烯CVD的宏量制備，對(duì)石墨烯的CVD設(shè)備和工藝提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)石墨烯均一度和質(zhì)量的控制變得尤為困難。因此，如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)CVD石墨烯薄膜的宏量制備，維持其優(yōu)良的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)、疇區(qū)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(duì)以上問(wèn)題，北京大學(xué)劉忠范教授課題組和彭海琳教授課題組應(yīng)邀在國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威綜述刊物Chemical Reviews上發(fā)表題為《化學(xué)氣相沉積制備石墨烯—理想與現(xiàn)實(shí)》的綜述文章9，詳細(xì)地綜述了自CVD方法制備石墨烯提出以來(lái)，在高品質(zhì)石墨烯制備方面的研究進(jìn)展，并對(duì)高品質(zhì)石墨烯的制備進(jìn)行了展望。作者從碳同素異形體的成鍵和制備問(wèn)題出發(fā)，系統(tǒng)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(xué)與動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)地討論了石墨烯CVD過(guò)程中涉及的氣相輸運(yùn)、前驅(qū)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(zhǎng)、石墨烯疇區(qū)拼接等基元步驟。并在此基礎(chǔ)上，討論了高品質(zhì)石墨烯制備涉及的晶界缺陷、低生長(zhǎng)速度、褶皺和污染物等問(wèn)題和目前的解決方案。與此同時(shí)，作者也對(duì)石墨烯工業(yè)放量制備存在的設(shè)備和質(zhì)量控制等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并提出可行的解決方案。最后作者對(duì)高品質(zhì)石墨烯的未來(lái)進(jìn)行了展望，提出了高品質(zhì)石墨烯的制備應(yīng)立足于對(duì)CVD基本過(guò)程的理解、有效的石墨烯品質(zhì)評(píng)估手段和宏量制備設(shè)備的改進(jìn)等前瞻性意見(jiàn)。

文中報(bào)道的一系列創(chuàng)新性研究成果，指明了高品質(zhì)石墨烯薄膜的高端應(yīng)用方向，對(duì)促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)的良性可持續(xù)發(fā)展有重要意義。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃、北京市科委項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。