{首页主词},&

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，彭海琳來源：材聲到分享至：

化學氣相沉積（CVD）法具有優異的可控性、可擴展性，因而被認為是生產高質量、大面積石墨烯薄膜的有效方法。研究者致力于通過對石墨烯的生長進行調控，從而制備大疇區尺寸、均勻的石墨烯薄膜，并實現快速生長和低溫生長。目前，科學界和工業界都致力于實現石墨烯薄膜的大規模生產。不過，與實驗室規模的樣品相比，工業規模生產的石墨烯在品質上還有很大差距。對于CVD法規模化制備石墨烯的研究，作者認為，最重要的是將實驗室級的研究和產業化規模的制備相聯系起來。通過設計和調整生產條件（工藝、設備和關鍵參數），可實現對石墨烯主要結構特性的調控（層數、單晶疇區尺寸等），以面向應用、滿足相關性能要求（薄膜電阻、透明度和穩定性等）。同時，在特定應用方面的因素又對生產過程的設計起到指導作用（成本、速率和產能等）。（圖1）在這篇文章中，作者首先簡要介紹了CVD法制備石墨烯的基本原理，包括生長動力學和基底選擇（圖2）、石墨烯批量化制備的挑戰等。隨后，作者介紹了石墨烯大規模生產的工程原理。在生產工藝方面，介紹了分批生產法（ Batch‐to‐Batch，B2B）（圖3）、卷對卷生產法（Roll-to-Roll，R2R）（圖4），并對比討論了二者的優缺點。在設備方面，介紹了不同的加熱方式，認為實驗室常用的熱壁CVD能耗較高，因而冷壁CVD受到研究者關注（圖5），其生長所得石墨烯質量可以不輸于熱壁CVD（表1）；此外還介紹了等離子體輔助CVD法（PECVD）（圖6），其能夠降低生長溫度、提高生長速率，然而所得石墨烯薄膜的均勻性和質量有不足之處。在關鍵參數方面，介紹了不同的前驅體（圖7），包括最常用的甲烷，以及其他可實現快速生長的烴類，如乙烷、乙烯、乙醇等；介紹了體系壓強對石墨烯薄膜均勻性的影響（圖8），認為低壓（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控制問題。在石墨烯結構的快速表征方面，介紹了覆蓋度和單晶疇區尺寸（圖10）、晶界（圖11）、層數（圖12）的表征方法；就石墨烯的大面積均一性方面，介紹了層數精確控制（圖13）和單晶疇區尺寸的一致性控制（圖14）。

最后，作者指出，石墨烯的產品質量和成本效益不可兼得，需要做出權衡（圖15）。不同的應用目標對于石墨烯品質和價格有不同的要求（表2）。石墨烯薄膜的商業化需要綜合考慮各種因素，包括生長、轉移、應用和標準化（圖16）。制定國際公認的標準對石墨烯的產業化十分重要，2017年英國國家物理實驗室發布了首個石墨烯國際標準化標準（ISO/TS 80004-13:2017）；早在在2016年中國提出了第一個石墨烯國家標準。許多創業公司正在致力于石墨烯薄膜的工業化生產和規模化應用，目前已經有一些應用進入了市場，如石墨烯觸摸板和加熱器等。不過作者認為，石墨烯產業商處在發展的早期階段，在真正的石墨烯“殺手級應用”出現之前，不應盲目擴大石墨烯薄膜材料產能。