北京大學劉忠範/彭海琳教授課題：超潔淨石墨烯的增長最新進展

2020-09-02 材料分析與應用

成果簡介

近10年來，化學氣相沉積（CVD）法生長石墨烯薄膜取得了重大進展。然而，實現工業生產和應用所需的CVD石墨烯的優異質量和可擴展性仍然是主要障礙。早期的研究主要集中在提高單晶疇尺寸、大面積均勻性、生長速率、層厚可控性以及降低缺陷濃度等方面。

本文，北京大學劉忠範/彭海琳教授課題在《ACS Nano》期刊發表名為「New Growth Frontier: Superclean Graphene」的論文，研究提出一個重要進展是發現了CVD石墨烯薄膜在高溫生長過程中不可避免的汙染現象以及與表面缺陷、剝離和轉移質量密切相關的超清潔生長技術。超清潔石墨烯是CVD石墨烯研究的新前沿。從這一角度出發，我們旨在全面了解超清潔石墨烯薄膜的內在生長汙染和實驗方案，並對未來高質量CVD石墨烯薄膜的商業化生產進行展望。


高溫生長過程中不可避免的汙染

了解汙染現象和發展超潔淨石墨烯的發展策略代表了化學氣相沉積石墨烯研究的新領域。

圖1.高溫生長期間石墨烯表面上無定形碳的形成機理示意圖。


圖2.化學氣相沉積（CVD）衍生的石墨烯薄膜表面不可避免的汙染。


圖3.石墨烯轉移到功能性基材上時汙染的示意圖。除去聚合物後，由於無定形碳與聚合物之間的強相互作用，聚合物殘留物留在了被無定形碳覆蓋的石墨烯區域上。


化學氣相沉積生長高質量石墨烯薄膜

表1.超淨石墨烯和常用方法生長的石墨烯的性能


圖4.在質量，成本，清潔度，缺陷密度和可擴展性方面，目前用於製備超淨石墨烯的實驗方法的比較。


小結與展望

表面汙染是探測CVD石墨烯的內在特性並以令人信服的質量實現其批量生產的主要障礙。我們預測，超淨石墨烯將在不久的將來代表石墨烯研究的新領域。

低成本，大面積生產具有良好均勻性的超淨，無缺陷的石墨烯對於工業應用至關重要，但仍具有挑戰性。基於無定形碳的形成機理，在開發新的超潔淨石墨烯策略時應考慮三個方面：

（1）可能通過調整邊界層的厚度和含量來抑制邊界層中大碳簇的形成。;

（2）修復缺陷，減少石墨烯表面無定形碳的成核位點數量；

（3）抑制無定形碳在石墨烯表面上的橫向生長。

此外，還迫切需要對非晶碳形成機理有更深入了解的理論計算以及可視化缺陷和非晶碳的技術。

CVD石墨烯與朝向大量生產高品質的石墨烯膜的視圖摘要路線圖中呈現圖5，其中四種途徑代表了當前石墨烯研究的主流：在金屬襯底上進行單層石墨烯的CVD生長（途徑1），將石墨烯轉移到功能襯底上（途徑2），在功能襯底上直接進行石墨烯的CVD生長（途徑3） ，以及在金屬基板上進行多層石墨烯的CVD生長（路線4）。

在所有路線中，從基礎實驗室規模的基礎研究到工業規模的石墨烯生產都需要三到四個步驟。例如，在路線1的第一階段，對石墨烯社區的主要關注是對CVD石墨烯的結構特徵的控制，包括尺寸和層數。同時，用於可控制的，具有成本效益的大規模生產的合適基板的設計也引發了激烈的研究活動。

在後續階段，石墨烯研究人員和工業界的主要努力目前致力於表面汙染問題，包括缺陷，皺紋和摻雜。

隨後，在第三階段，將廣泛討論工業可行的生產策略，特別是石墨烯薄膜的均勻性，尺寸，生長速率和可轉移性。在最後階段，大規模生產和商業化的挑戰仍然需要解決，涉及工業規模的生產能力，產量，成本，設備和生產線。生長速率和石墨烯薄膜的可轉移性。

圖5.大規模生產化學氣相沉積石墨烯的挑戰。

超潔淨石墨烯的增長將在不久的將來引起極大的關注，因為潔淨表面的可用性將提供增強的CVD石墨烯性能和性能，並有助於發現新的應用。我們相信，超淨石墨烯將為我們帶來更多令人振奮的基礎研究發現，並促進整個石墨烯產業的發展。


文獻：

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