石墨烯有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。為了更好的應(yīng)用這種新型材料，如何大規(guī)模可控合成高質(zhì)量石墨烯是一個(gè)必須克服的困難。相比與機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化還原法和碳化硅表面外延生長(zhǎng)法，化學(xué)氣相沉積法(CVD)因其可以生長(zhǎng)大面積高質(zhì)量連續(xù)石墨烯膜而倍受關(guān)注�；�于石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理，從襯底材料的角度，綜述了近幾年襯底對(duì)CVD生長(zhǎng)石墨烯的影響的研究進(jìn)展。展望了襯底選擇的發(fā)展新趨勢(shì)。

1、引言

　　2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim研究小組首次制備出穩(wěn)定的單層二維(2D)石墨烯，震撼了整個(gè)物理界，這樣加上零維(0D)富勒烯(C60、C70)一維(1D)碳納米管、三維(3D)金剛石和石墨，人類構(gòu)成了從0D～3D的完整的碳材料體系。石墨烯是一種由以sp2雜化軌道的碳原子成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，厚度只有0.335nm，是目前界上最薄的二維材料，其c-c鍵長(zhǎng)約為0.142nm。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)。石墨烯目前是世界上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料；幾乎完全透明，光吸收僅為2.3%；優(yōu)異的電學(xué)性能，室溫下電子遷移率2×105cm2/(V·s)；楊氏模量1100GPa，斷裂強(qiáng)度130GPa；有很高的熱導(dǎo)率(大于3000W·mK-1)。此外它還有著完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、雙極場(chǎng)效應(yīng)等一系列性質(zhì)。這些優(yōu)異的性質(zhì)引起了物理、化學(xué)、材料等不同領(lǐng)域科學(xué)家的極大研究興趣，也使的石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

　　為了使石墨烯優(yōu)異的性能得到更好的利用，人們?cè)趯ふ乙环N可控生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法。目前應(yīng)用比較多的有4種方法:機(jī)械剝離法、學(xué)氧化還原法、碳化硅表面外延生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積法。機(jī)械剝離就是把散裝石墨分離成單原子層的過(guò)程，第一種成功剝離出石墨烯的方法就是微機(jī)械剝離法。微機(jī)械剝離法步驟簡(jiǎn)單，也能制備出高質(zhì)量的石墨烯，但是產(chǎn)量較小且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。化學(xué)氧化還原法是目前可以工業(yè)化量產(chǎn)石墨烯的有效方法，但它的明顯缺陷是氧化、超聲、還原過(guò)程中往往會(huì)造成原子的缺失，因此制備的石墨烯含有較多缺陷、導(dǎo)電性差，且石墨烯的尺寸難以控制。碳化硅表面外延生長(zhǎng)法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，晶粒尺寸可以達(dá)到幾百個(gè)微米。但它的主要缺點(diǎn)是使用的基底材料單晶SiC比較昂貴、生長(zhǎng)條件需要高溫高真空，且制備的石墨烯難以轉(zhuǎn)移，所以這種方法沒有廣泛地被運(yùn)用�；瘜W(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition，CVD)因其可以生長(zhǎng)大面積，高質(zhì)量的連續(xù)石墨烯膜已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，并且結(jié)合微波等離子體技術(shù)，可以把生長(zhǎng)溫度降低數(shù)百度。現(xiàn)在已經(jīng)可以用CVD法制備出大面積(最大面積76cm)、層數(shù)可以控制、高質(zhì)量(載流子遷移率可達(dá)16000cm2·V-1)石墨烯，如表1所列。

表1 常見的制備石墨烯方法

　　影響CVD石墨烯的生長(zhǎng)一般主要來(lái)自以下三個(gè)方面:襯底、前驅(qū)體和生長(zhǎng)條件。其中，襯底對(duì)石墨烯的生長(zhǎng)起著決定性作用。襯底的選擇一般要遵循以下幾個(gè)條件:(1)能實(shí)現(xiàn)石墨烯大面積層數(shù)可控生長(zhǎng)；(2)能在相對(duì)較低溫度的生長(zhǎng)條件下制備出高質(zhì)量石墨烯；(3)襯底易于石墨烯分離，便于轉(zhuǎn)移；(4)實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單，制備方便，成本低廉。

　　基于石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理，從襯底材料的角度，綜述了近年來(lái)襯底對(duì)CVD石墨烯生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展，并展望了CVD法在襯底選擇上的新方向。

2、CVD石墨烯襯底

　　CVD石墨烯生長(zhǎng)所使用的襯底主要分為兩類:金屬襯底和絕緣襯底。目前的研究主要集中在過(guò)渡金屬圖1化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的步驟

　　(1)碳源在催化劑表面的吸附；(2)碳源脫附回到氣相；(3)碳源的脫氫分解；(4)碳原子在表面的遷移；(5)碳原子在表面(優(yōu)先在臺(tái)階等缺陷位處)直接成核并生長(zhǎng)石墨烯；(6)碳原子在高溫下溶入金屬體相；(7)碳原子在金屬體相內(nèi)的擴(kuò)散；(8)降溫過(guò)程中碳原子從體相析出，并在表面成核生長(zhǎng)石墨烯族襯底。襯底的選擇對(duì)CVD石墨烯生長(zhǎng)影響是巨大的。不僅決定了合成出的石墨烯本身的質(zhì)量，還會(huì)影響到后續(xù)進(jìn)一步的表征和應(yīng)用。

　　2.1、金屬襯底上石墨烯的生長(zhǎng)

　　金屬催化法是指固態(tài)或氣態(tài)碳源在一定的溫度和壓強(qiáng)，及催化劑的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法。石墨烯在金屬催化劑表面的CVD生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的多相催化反應(yīng)體系。這個(gè)過(guò)程主要有如下幾個(gè)步驟:(1)烴類碳源在金屬催化劑基底上的吸附與分解；(2)表面碳原子向催化劑體相內(nèi)的溶解以及在體相中的擴(kuò)散。在某些情況下，溶解碳會(huì)與金屬生產(chǎn)碳化物；(3)降溫過(guò)程中碳原子從催化劑體相向表面的析出；(4)碳原子在催化劑表面的成核及二維重構(gòu)，生成石墨烯如圖1所示。在大尺寸石墨烯制備方法研究中，最主要的問(wèn)題是如何在規(guī)模制備石墨烯的過(guò)程中保證石墨烯具有較好的均勻性及質(zhì)量的前提下的可控生長(zhǎng)。銅和鎳是目前研究最多、制備石墨烯質(zhì)量最好的兩種金屬催化劑襯底。

圖1 化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的步驟

　　(1)碳源在催化劑表面的吸附；(2)碳源脫附回到氣相；(3)碳源的脫氫分解；(4)碳原子在表面的遷移；(5)碳原子在表面(優(yōu)先在臺(tái)階等缺陷位處)直接成核并生長(zhǎng)石墨烯；(6)碳原子在高溫下溶入金屬體相；(7)碳原子在金屬體相內(nèi)的擴(kuò)散；(8)降溫過(guò)程中碳原子從體相析出，并在表面成核生長(zhǎng)石墨烯

4、結(jié)束語(yǔ)

　　文章在襯底材料的角度，綜述了襯底對(duì)CVD石墨烯生長(zhǎng)的影響�？梢钥吹�，在大規(guī)�？煽厣�長(zhǎng)方面，過(guò)渡金屬族襯底因其催化作用有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。但在金屬襯底上生長(zhǎng)的石墨烯需要轉(zhuǎn)移到特定基體上，該過(guò)程會(huì)對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和質(zhì)量造成影響。絕緣襯底，如硅或玻璃等，由于沒有轉(zhuǎn)移工藝，方便進(jìn)一步的表征和應(yīng)用。但相比在金屬襯底上生長(zhǎng)的石墨烯，其質(zhì)量和層數(shù)的可控性有待提高。

　　詳盡分析了Cu和Ni兩種襯底對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的不同影響。認(rèn)為Cu更適合制備大面積、層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯薄膜。除了分析不同襯底材料對(duì)CVD石墨烯生長(zhǎng)的影響，還可以從單晶與多晶金屬襯底、襯底表面的預(yù)處理等方面進(jìn)一步的研究襯底對(duì)生長(zhǎng)石墨烯的影響。CVD法制備石墨烯未來(lái)的發(fā)展方向是在優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)一步大面積、高質(zhì)量和層數(shù)可控合成石墨烯的同時(shí)，使它能在理想襯底上的直接生長(zhǎng)，從而避免轉(zhuǎn)移步驟對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的影響；并且借助等離子沉積技術(shù)，降低生長(zhǎng)溫度，使它更加適合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。CVD法制備石墨烯的研究只有短短幾年的時(shí)間，但取得的成果有目共睹。相信石墨烯這一優(yōu)異材料的應(yīng)用研究將在未來(lái)幾年取得更多令人欣喜的成績(jī)。