石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備和應(yīng)用領(lǐng)域系列進(jìn)展
石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備和應(yīng)用領(lǐng)域系列進(jìn)展
石墨烯是具有獨(dú)特的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的新型納米碳材料，其電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性能非常優(yōu)異，在高端電子和光電子器件、能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)、復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景?！爸苽錄Q定未來(lái)”，石墨烯的化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）制備方法自2009年被發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生缺陷、晶界和褶皺，制備和轉(zhuǎn)移的過(guò)程也會(huì)造成表面污染與破損，因此限制了其進(jìn)一步應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)，而這些因素的精確控制是石墨烯制備的難點(diǎn)。
近十年來(lái)，北京大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)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(xué)氣相沉積制備和應(yīng)用領(lǐng)域取得一系列重要進(jìn)展。
針對(duì)高品質(zhì)石墨烯薄膜的CVD制備與具體應(yīng)用，課題組建立和發(fā)展了石墨烯單晶和薄膜的結(jié)構(gòu)精確調(diào)控的多種CVD生長(zhǎng)方法，并率先實(shí)現(xiàn)了4英寸無(wú)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(wú)損轉(zhuǎn)移，研制了超級(jí)石墨烯玻璃、旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電器件和單晶石墨烯PN結(jié)光電探測(cè)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(wèn)題，建立了具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)石墨烯薄膜的穩(wěn)定生產(chǎn)工藝，初步實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜的可批量制備，進(jìn)而為高品質(zhì)石墨烯薄膜的高端應(yīng)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(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（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(lái)，綜述期刊Chemical Reviews首次刊登石墨烯薄膜的化學(xué)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(xué)過(guò)程與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，討論了生長(zhǎng)條件對(duì)石墨烯疇區(qū)尺寸、形貌、缺陷、生長(zhǎng)速度、層數(shù)和質(zhì)量的影響，并對(duì)高質(zhì)量石墨烯材料的制備方法進(jìn)行總結(jié)，展望了未來(lái)制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的研究方向。
此外，課題組還應(yīng)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(lái)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(xì)分析了控制石墨烯質(zhì)量的工程原理，包括制程、制備設(shè)備以及關(guān)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)模化生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)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(dǎo)借鑒意義。