劉忠范、彭海琳課題組在Chem. Rev.和Adv. Mater.上綜述石墨烯化學(xué)氣相沉積制備方法
石墨烯是具有獨(dú)特的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的新型納米碳材料，其電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性能非常優(yōu)異，在高端電子和光電子器件、能源轉(zhuǎn)化與存儲、復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。“制備決定未來”，石墨烯的化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）制備方法自2009年被發(fā)明以來，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，是目前低成本制備大面積高品質(zhì)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石墨烯薄膜在制備的過程中會產(chǎn)生缺陷、晶界和褶皺，制備和轉(zhuǎn)移的過程中也會造成表面污染與破損，因此限制了進(jìn)一步應(yīng)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(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)與其層數(shù)、堆積方式、疇區(qū)尺寸、缺陷濃度和摻雜類型密切相關(guān)，而這些因素的精確控制是石墨烯制備的難點(diǎn)。
近十年來，劉忠范課題組和彭海琳課題組在石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備和應(yīng)用領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。針對高品質(zhì)石墨烯薄膜的CVD制備與具體應(yīng)用，課題組建立和發(fā)展了石墨烯單晶和薄膜的結(jié)構(gòu)精確調(diào)控的多種CVD生長方法，并率先實(shí)現(xiàn)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(xù)批量制備和綠色無損轉(zhuǎn)移，研制了超級石墨烯玻璃、旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電器件和單晶石墨烯PN結(jié)光電探測器件。上述一系列創(chuàng)新性研究成果解決了高品質(zhì)石墨烯薄膜材料難以低成本、批量制備的瓶頸問題，建立了具有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)石墨烯薄膜的穩(wěn)定生產(chǎn)工藝，初步實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜的可批量制備，進(jìn)而為高品質(zhì)石墨烯薄膜的高端應(yīng)用指明方向，將促使石墨烯產(chǎn)業(yè)的良性可持續(xù)發(fā)展。
最近，劉忠范課題組和彭海琳課題組應(yīng)邀在國際化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威綜述刊物Chemical Reviews上發(fā)表題為《化學(xué)氣相沉積制備石墨烯——理想與現(xiàn)實(shí)》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石墨烯制備方法提出的近十年來，綜述期刊Chemical Reviews首次刊登石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積制備方面的綜述文章。該綜述文章主要介紹了碳材料的成鍵和制備歷史，CVD法制備石墨烯的熱力學(xué)過程與生長動力學(xué)機(jī)制，討論了生長條件對石墨烯疇區(qū)尺寸、形貌、缺陷、生長速度、層數(shù)和質(zhì)量的影響，并對高質(zhì)量石墨烯材料的制備方法進(jìn)行總結(jié)，展望了未來制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的研究方向。
此外，課題組最近還在Advanced Materials上應(yīng)邀撰寫了題為《走向CVD石墨烯薄膜的規(guī)模制備》的綜述文章（Toward Mass Production of CVD Graphene Films. Bing Deng, Zhongfan Liu*, Hailin Peng*. Adv. Mater. 2018, 30, 1800996），集中闡述了基于CVD方法的石墨烯薄膜規(guī)模制備的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向。該綜述首先介紹了CVD方法制備石墨烯的基本原理，然后詳細(xì)分析了控制石墨烯質(zhì)量的工程原理，包括制程、制備設(shè)備以及關(guān)鍵工藝參數(shù)等，最后還討論了石墨烯薄膜的大面積均一性和快速表征方法，并指出了石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，對石墨烯薄膜材料面向工業(yè)規(guī)模的制備具有一定的指導(dǎo)借鑒意義。
以上兩篇綜述文章的第一作者分別為林立博士和博士研究生鄧兵，通訊作者為劉忠范院士和彭海琳教授。該系列工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、北京市科委項(xiàng)目的大力支持。
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