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劉忠范、彭海琳重磅綜述：CVD法批量制備石墨烯薄膜

2018-09-26 11:27:01 作者：劉忠范，彭海琳來(lái)源：材聲到分享至：

化學(xué)氣相沉積（CVD）法具有優(yōu)異的可控性、可擴(kuò)展性，因而被認(rèn)為是生產(chǎn)高質(zhì)量、大面積石墨烯薄膜的有效方法。研究者致力于通過(guò)對(duì)石墨烯的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，從而制備大疇區(qū)尺寸、均勻的石墨烯薄膜，并實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)和低溫生長(zhǎng)。目前，科學(xué)界和工業(yè)界都致力于實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)。不過(guò)，與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的樣品相比，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯在品質(zhì)上還有很大差距。對(duì)于CVD法規(guī)模化制備石墨烯的研究，作者認(rèn)為，最重要的是將實(shí)驗(yàn)室級(jí)的研究和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的制備相聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)整生產(chǎn)條件（工藝、設(shè)備和關(guān)鍵參數(shù)），可實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯主要結(jié)構(gòu)特性的調(diào)控（層數(shù)、單晶疇區(qū)尺寸等），以面向應(yīng)用、滿(mǎn)足相關(guān)性能要求（薄膜電阻、透明度和穩(wěn)定性等）。同時(shí)，在特定應(yīng)用方面的因素又對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用（成本、速率和產(chǎn)能等）。（圖1）在這篇文章中，作者首先簡(jiǎn)要介紹了CVD法制備石墨烯的基本原理，包括生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和基底選擇（圖2）、石墨烯批量化制備的挑戰(zhàn)等。隨后，作者介紹了石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)的工程原理。在生產(chǎn)工藝方面，介紹了分批生產(chǎn)法（ Batch‐to‐Batch，B2B）（圖3）、卷對(duì)卷生產(chǎn)法（Roll-to-Roll，R2R）（圖4），并對(duì)比討論了二者的優(yōu)缺點(diǎn)。在設(shè)備方面，介紹了不同的加熱方式，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室常用的熱壁CVD能耗較高，因而冷壁CVD受到研究者關(guān)注（圖5），其生長(zhǎng)所得石墨烯質(zhì)量可以不輸于熱壁CVD（表1）；此外還介紹了等離子體輔助CVD法（PECVD）（圖6），其能夠降低生長(zhǎng)溫度、提高生長(zhǎng)速率，然而所得石墨烯薄膜的均勻性和質(zhì)量有不足之處。在關(guān)鍵參數(shù)方面，介紹了不同的前驅(qū)體（圖7），包括最常用的甲烷，以及其他可實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)的烴類(lèi)，如乙烷、乙烯、乙醇等；介紹了體系壓強(qiáng)對(duì)石墨烯薄膜均勻性的影響（圖8），認(rèn)為低壓（LP）CVD相比常壓（AP）CVD，前者所得石墨烯具有更好的層數(shù)均勻性；作者還介紹了氣流（圖9）的影響。之后，作者討論了石墨烯薄膜材料的品質(zhì)控制問(wèn)題。在石墨烯結(jié)構(gòu)的快速表征方面，介紹了覆蓋度和單晶疇區(qū)尺寸（圖10）、晶界（圖11）、層數(shù)（圖12）的表征方法；就石墨烯的大面積均一性方面，介紹了層數(shù)精確控制（圖13）和單晶疇區(qū)尺寸的一致性控制（圖14）。

最后，作者指出，石墨烯的產(chǎn)品質(zhì)量和成本效益不可兼得，需要做出權(quán)衡（圖15）。不同的應(yīng)用目標(biāo)對(duì)于石墨烯品質(zhì)和價(jià)格有不同的要求（表2）。石墨烯薄膜的商業(yè)化需要綜合考慮各種因素，包括生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化（圖16）。制定國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化十分重要，2017年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了首個(gè)石墨烯國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)（ISO/TS 80004-13:2017）；早在在2016年中國(guó)提出了第一個(gè)石墨烯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。許多創(chuàng)業(yè)公司正在致力于石墨烯薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)模化應(yīng)用，目前已經(jīng)有一些應(yīng)用進(jìn)入了市場(chǎng)，如石墨烯觸摸板和加熱器等。不過(guò)作者認(rèn)為，石墨烯產(chǎn)業(yè)商處在發(fā)展的早期階段，在真正的石墨烯“殺手級(jí)應(yīng)用”出現(xiàn)之前，不應(yīng)盲目擴(kuò)大石墨烯薄膜材料產(chǎn)能。