石墨烯的化學氣相沉積制備和應用領域系列進展

石墨烯的化學氣相沉積制備和應用領域系列進展

石墨烯是具有獨特的二維蜂窩狀晶體結構的新型納米碳材料，其電學、熱學、光學和力學等性能非常優(yōu)異，在高端電子和光電子器件、能源轉化與存儲、復合材料等領域有著廣闊的應用前景。“制備決定未來”，石墨烯的化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）制備方法自2009年被發(fā)明以來，已經(jīng)取得了長足進展，是目前低成本制備大面積高品質(zhì)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石墨烯薄膜在制備的過程中會產(chǎn)生缺陷、晶界和褶皺，制備和轉移的過程也會造成表面污染與破損，因此限制了其進一步應用。尤其是，作為新一代高性能碳基電子器件的核心材料，石墨烯的能帶結構和物理性質(zhì)與其層數(shù)、堆積方式、疇區(qū)尺寸、缺陷濃度和摻雜類型密切相關，而這些因素的精確控制是石墨烯制備的難點。



近十年來，北京大學化學與分子科學學院劉忠范院士課題組和彭海琳教授課題組在石墨烯的化學氣相沉積制備和應用領域取得一系列重要進展。



針對高品質(zhì)石墨烯薄膜的CVD制備與具體應用，課題組建立和發(fā)展了石墨烯單晶和薄膜的結構精確調(diào)控的多種CVD生長方法，并率先實現(xiàn)了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓、大面積石墨烯薄膜的連續(xù)批量制備和綠色無損轉移，研制了超級石墨烯玻璃、旋轉雙層石墨烯光電器件和單晶石墨烯PN結光電探測器件。上述一系列創(chuàng)新性研究成果解決了高品質(zhì)石墨烯薄膜材料難以低成本、批量制備的瓶頸問題，建立了具有核心自主知識產(chǎn)權的高品質(zhì)石墨烯薄膜的穩(wěn)定生產(chǎn)工藝，初步實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜的可批量制備，進而為高品質(zhì)石墨烯薄膜的高端應用指明方向，將促使石墨烯產(chǎn)業(yè)的良性可持續(xù)發(fā)展。



最近，劉忠范課題組和彭海琳課題組應邀在國際化學領域權威綜述刊物Chemical Reviews上發(fā)表題為“化學氣相沉積制備石墨烯——理想與現(xiàn)實”的綜述文章（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）。這也是自CVD石墨烯制備方法提出近十年來，綜述期刊Chemical Reviews首次刊登石墨烯薄膜的化學氣相沉積制備方面的綜述文章。該文主要介紹碳材料的成鍵和制備歷史、CVD法制備石墨烯的熱力學過程與生長動力學機制，討論了生長條件對石墨烯疇區(qū)尺寸、形貌、缺陷、生長速度、層數(shù)和質(zhì)量的影響，并對高質(zhì)量石墨烯材料的制備方法進行總結，展望了未來制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的研究方向。



此外，課題組還應邀在Advanced Materials上撰寫了題為“走向CVD石墨烯薄膜的規(guī)模制備”的綜述文章（Toward Mass Production of CVD Graphene Films.Bing Deng,Zhongfan Liu*,Hailin Peng*.Adv.Mater.2018,30,1800996），集中闡述了基于CVD方法的石墨烯薄膜規(guī)模制備的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向。該綜述首先介紹了CVD方法制備石墨烯的基本原理，然后詳細分析了控制石墨烯質(zhì)量的工程原理，包括制程、制備設備以及關鍵工藝參數(shù)等，最后討論了石墨烯薄膜的大面積均一性和快速表征方法，該文指出石墨烯規(guī)?；a(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，對石墨烯薄膜材料面向工業(yè)規(guī)模的制備具有一定的指導借鑒意義。