刘忠范、彭海琳重磅综述：CVD法批量制备石墨烯薄膜

2018-09-26 11:27:01 作者：刘忠范，彭海琳来源：材声到分享至：

化学气相沉积（CVD）法具有优异的可控性、可扩展性，因而被认为是生产高质量、大面积石墨烯薄膜的有效方法。研究者致力于通过对石墨烯的生长进行调控，从而制备大畴区尺寸、均匀的石墨烯薄膜，并实现快速生长和低温生长。目前，科学界和工业界都致力于实现石墨烯薄膜的大规模生产。不过，与实验室规模的样品相比，工业规模生产的石墨烯在品质上还有很大差距。对于CVD法规模化制备石墨烯的研究，作者认为，最重要的是将实验室级的研究和产业化规模的制备相联系起来。通过设计和调整生产条件（工艺、设备和关键参数），可实现对石墨烯主要结构特性的调控（层数、单晶畴区尺寸等），以面向应用、满足相关性能要求（薄膜电阻、透明度和稳定性等）。同时，在特定应用方面的因素又对生产过程的设计起到指导作用（成本、速率和产能等）。（图1）在这篇文章中，作者首先简要介绍了CVD法制备石墨烯的基本原理，包括生长动力学和基底选择（图2）、石墨烯批量化制备的挑战等。随后，作者介绍了石墨烯大规模生产的工程原理。在生产工艺方面，介绍了分批生产法（ Batch‐to‐Batch，B2B）（图3）、卷对卷生产法（Roll-to-Roll，R2R）（图4），并对比讨论了二者的优缺点。在设备方面，介绍了不同的加热方式，认为实验室常用的热壁CVD能耗较高，因而冷壁CVD受到研究者关注（图5），其生长所得石墨烯质量可以不输于热壁CVD（表1）；此外还介绍了等离子体辅助CVD法（PECVD）（图6），其能够降低生长温度、提高生长速率，然而所得石墨烯薄膜的均匀性和质量有不足之处。在关键参数方面，介绍了不同的前驱体（图7），包括最常用的甲烷，以及其他可实现快速生长的烃类，如乙烷、乙烯、乙醇等；介绍了体系压强对石墨烯薄膜均匀性的影响（图8），认为低压（LP）CVD相比常压（AP）CVD，前者所得石墨烯具有更好的层数均匀性；作者还介绍了气流（图9）的影响。之后，作者讨论了石墨烯薄膜材料的品质控制问题。在石墨烯结构的快速表征方面，介绍了覆盖度和单晶畴区尺寸（图10）、晶界（图11）、层数（图12）的表征方法；就石墨烯的大面积均一性方面，介绍了层数精确控制（图13）和单晶畴区尺寸的一致性控制（图14）。

最后，作者指出，石墨烯的产品质量和成本效益不可兼得，需要做出权衡（图15）。不同的应用目标对于石墨烯品质和价格有不同的要求（表2）。石墨烯薄膜的商业化需要综合考虑各种因素，包括生长、转移、应用和标准化（图16）。制定国际公认的标准对石墨烯的产业化十分重要，2017年英国国家物理实验室发布了首个石墨烯国际标准化标准（ISO/TS 80004-13:2017）；早在在2016年中国提出了第一个石墨烯国家标准。许多创业公司正在致力于石墨烯薄膜的工业化生产和规模化应用，目前已经有一些应用进入了市场，如石墨烯触摸板和加热器等。不过作者认为，石墨烯产业商处在发展的早期阶段，在真正的石墨烯“杀手级应用”出现之前，不应盲目扩大石墨烯薄膜材料产能。