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!爸苽錄Q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)移的過程也會造成表面污染與破損,因此限制了其進(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。
近十年來,北京大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院劉忠范院士課題組和彭海琳教授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”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。該文主要介紹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,課題組還應(yīng)邀在Advanced Materials上撰寫了題為“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,最后討論了石墨烯薄膜的大面積均一性和快速表征方法,該文指出石墨烯規(guī);a(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。
在Chem. Rev.和Adv. Mater.上介紹石墨烯化學(xué)氣相沉積制備方法
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,通訊作者為劉忠范院士和彭海琳教授。該系列工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點研究計劃、北京市科委項目的支持。
論文鏈接:
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- 華南農(nóng)大楊卓鴻/胡洋、阿爾伯塔大學(xué)曾宏波 CST: 基于香草醛固化劑和改性氧化石墨烯的高強(qiáng)度、耐老化、可回收環(huán)氧防腐涂層 2025-07-11
- 四川大學(xué)王延青 AFM:氧化石墨烯納米片協(xié)同雙工程設(shè)計硬碳 - 邊緣鈍化與催化SEI設(shè)計以實現(xiàn)超高初始庫侖效率鈉離子電池 2025-07-10
- 麥吉爾大學(xué)李劍宇課題組 Adv. Sci.: 利用超聲空化的快速、無引發(fā)劑的高性能水凝膠制備方法 2025-04-24
- 西安交大郭保林教授團(tuán)隊 Nat. Protoc.:在用于組織修復(fù)的物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠制備方法上取得新進(jìn)展 2023-12-03
- 清華大學(xué)伍暉課題組Sci. Adv.:基于卡門渦街效應(yīng)的超細(xì)纖維高通量制備方法 2022-03-18