如何通过CVD实现单晶石墨烯的批量合成

说起石墨烯，几乎家喻户晓，其优异的机械和电学性能引起全世界科学家们疯狂的追捧。尽管目前在实验室中小尺寸的石墨烯单晶制备及其应用研究已经获得了长足的进步，但是我们至今难以在生活中见到它的大规模应用，其中的一个重要原因就是难以制备出更大尺寸的石墨烯单晶。

CVD生长主要依靠前驱碳氢化合物气体（甲烷、乙烷等）裂解产生碳原子，并在合适的基底表面生长得到石墨烯。一般来说，大面积单晶石墨烯的制备，往往需要高品质的单晶作为基底材料，然后进行外延异质生长。譬如在适当的高温情况下，使Cu基底表面形成Cu（111）单晶表面，然后进行外延异质生长；或者控制单点成核结晶，从而得到高品质石墨烯。这些方法或多或少都存在一些问题，不是重复性不够好，就是高品质单晶基底难求。

图2. CVD制石墨烯常规示意图

因此，如何通过CVD实现单晶石墨烯的批量合成，是摆在石墨烯规模化应用面前的最大阻碍！

近日，美国能源部橡树林国家实验室Ivan V. Vlassiouk与莱斯大学Boris I. Yakobson、新墨西哥州立大学Sergei N. Smirnov等团队合作，发明了一项新技术，可以生产超过1英尺的单层石墨烯单晶，有望为石墨烯等2D材料的实际应用铺平道路。相关研究成果于3月12日在线发表于Nature Materials期刊上。("Evolutionary selection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates")

石墨烯的典型制备方法包括将石墨片层层剥离至单原子层厚，或者利用气相沉积法在催化剂上逐个沉积生长成超薄的石墨烯。在这项研究中，ORNL的研究人员就采取了后者，并做了改良。

图3. 进化选择生长原理

该技术采用的基本生长原理被称之为“进化选择生长”（Evolutionary selection growth）。”该研究的主导人之一、ORNL的Ivan Vlassiouk教授表示：“这是因为(大尺寸单晶)消除了多晶石墨烯中各个畴之间互连所产生的薄弱点。”最终生长最快的晶粒占据主导地位，得到高品质的单晶石墨烯。“我们的方法不仅可以成为改进大尺寸单晶石墨烯生产的关键，而且也对其他2D材料奏效，这对于这些材料的大规模应用是必需的，”他补充道。

基于该原理，研究人员发展了一种易于拓展成卷对卷形式的CVD量产装置：H2/Ar混合气体正常通入炉内，CH4/Ar混合前驱气体以小尺寸喷嘴的形式对准Cu/Ni基底，整体温度保持在1000℃以上。基底以1-2 cm s-1的速度均匀移动。

图4. CVD装置和实验结果

其中，Ni起到增强催化活性的作用。CH4/Ar混合前驱气体单独以小喷嘴的形式加入，是为了减少成核位点。1000℃的高温则是为了使碳原子更快速地、源源不断的补充到生长过程中，避免生成新的晶核。

由此，研究人员实现了人体脚掌大小的单晶石墨烯薄膜的制备，值得一提的是，该技术对生长基底质量要求不高。通过设备优化，甚至还可以实现米级单晶石墨烯薄膜的连续化CVD控制制备。

图5. 石墨烯单晶取向

总体来看，该研究提出的这种制造大尺寸石墨烯单晶的方法意义重大，不仅石墨烯单晶的实际应用，同样适合可用化学气相沉积法生长的氮化硼、过渡金属二硫属化合物等其他2D材料，为这些2D材料进行工业化生产及实际应用，铺平了道路。