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異，在高端電子和光電子器件、能源轉化與存儲、複合材料等領域有著廣闊的應用前景。「製備決定未來」，石墨烯的化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）製備方法自2009年被發明以來，已經取得了長足進展，是目前低成本製備大面積高品質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石墨烯薄膜在製備的過程中會產生缺陷、晶界和褶皺，製備和轉移的過程也會造成表面汙染與破損，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與其層數、堆積方式、疇區尺寸、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製備的難點。
近十年來，北京大學化學與分子科學學院劉忠範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製備和應用領域取得一系列重要進展。針對高品質石墨烯薄膜的CVD製備與具體應用，課題組建立和發展了石墨烯單晶和薄膜的結構精確調控的多種CVD生長方法，並率先實現了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓、大面積石墨烯薄膜的連續批量製備和綠色無損轉移，研製了超級石墨烯玻璃、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。上述一系列創新性研究成果解決了高品質石墨烯薄膜材料難以低成本、批量製備的瓶頸問題，建立了具有核心自主智慧財產權的高品質石墨烯薄膜的穩定生產工藝，初步實現高質量石墨烯薄膜的可批量製備，進而為高品質石墨烯薄膜的高端應用指明方向，將促使石墨烯產業的良性可持續發展。
最近，劉忠範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上發表題為「化學氣相沉積製備石墨烯——理想與現實」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石墨烯製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製備方面的綜述文章。該文主要介紹碳材料的成鍵和製備歷史、CVD法製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尺寸、形貌、缺陷、生長速度、層數和質量的影響，並對高質量石墨烯材料的製備方法進行總結，展望了未來製備高質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石墨烯薄膜的規模製備」的綜述文章（Toward Mass Production of CVD Graphene Films. Bing Deng, Zhongfan Liu*, Hailin Peng*. Adv. Mater. 2018, 30, 1800996），集中闡述了基於CVD方法的石墨烯薄膜規模製備的研究現狀與未來發展方向。該綜述首先介紹了CVD方法製備石墨烯的基本原理，然後詳細分析了控制石墨烯質量的工程原理，包括製程、製備設備以及關鍵工藝參數等，最後討論了石墨烯薄膜的大面積均一性和快速表徵方法，該文指出石墨烯規模化生產所面臨的挑戰，對石墨烯薄膜材料面向工業規模的製備具有一定的指導借鑑意義。
在Chem. Rev.和Adv. Mater.上介紹石墨烯化學氣相沉積製備方法以上兩篇綜述文章的第一作者分別為林立博士和博士生鄧兵，通訊作者為劉忠範和彭海琳。該系列工作得到國家自然科學基金委、科技部國家重點研究計劃、北京市科委項目的支持。
編輯：麥洛