石墨烯有獨特的結(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)�？煽睾铣筛哔|(zhì)量石墨烯是一個必須克服的困難。相比與機械剝離法、化學(xué)氧化還原法和碳化硅表面外延生長法，化學(xué)氣相沉積法(CVD)因其可以生長大面積高質(zhì)量連續(xù)石墨烯膜而倍受關(guān)注�；�于石墨烯的生長機理，從襯底材料的角度，綜述了近幾年襯底對CVD生長石墨烯的影響的研究進展。展望了襯底選擇的發(fā)展新趨勢。

1、引言

　　2004年英國曼徹斯特大學(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鍵長約為0.142nm。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊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，人們在尋找一種可控生產(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:機械剝離法、學(xué)氧化還原法、碳化硅表面外延生長、化學(xué)氣相沉積法。機械剝離就是把散裝石墨分離成單原子層的過程，第一種成功剝離出石墨烯的方法就是微機械剝離法。微機械剝離法步驟簡單，也能制備出高質(zhì)量的石墨烯，但是產(chǎn)量較小且費時費力，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)�；瘜W(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、還原過程中往往會造成原子的缺失，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法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，晶粒尺寸可以達到幾百個微米。但它的主要缺點是使用的基底材料單晶SiC比較昂貴、生長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用�；瘜W(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition，CVD)因其可以生長大面積，高質(zhì)量的連續(xù)石墨烯膜已經(jīng)越來越受到人們的重視，并且結(jié)合微波等離子體技術(shù)，可以把生長溫度降低數(shù)百度�，F(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石墨烯的生長一般主要來自以下三個方面:襯底、前驅(qū)體和生長條件。其中，襯底對石墨烯的生長起著決定性作用。襯底的選擇一般要遵循以下幾個條件:(1)能實現(xiàn)石墨烯大面積層數(shù)可控生長；(2)能在相對較低溫度的生長條件下制備出高質(zhì)量石墨烯；(3)襯底易于石墨烯分離，便于轉(zhuǎn)移；(4)實驗步驟簡單，制備方便，成本低廉。

　　基于石墨烯的生長機理，從襯底材料的角度，綜述了近年來襯底對CVD石墨烯生長影響的研究進展，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渡金屬圖1化學(xué)氣相沉積生長石墨烯的步驟

　　(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)先在臺階等缺陷位處)直接成核并生長石墨烯；(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)的擴散；(8)降溫過程中碳原子從體相析出，并在表面成核生長石墨烯族襯底。襯底的選擇對CVD石墨烯生長影響是巨大的。不僅決定了合成出的石墨烯本身的質(zhì)量，還會影響到后續(xù)進一步的表征和應(yīng)用。

　　2.1、金屬襯底上石墨烯的生長

　　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，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生長是一個復(fù)雜的多相催化反應(yīng)體系。這個過程主要有如下幾個步驟:(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散。在某些情況下，溶解碳會與金屬生產(chǎn)碳化物；(3)降溫過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，最主要的問題是如何在規(guī)模制備石墨烯的過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。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)先在臺階等缺陷位處)直接成核并生長石墨烯；(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)的擴散；(8)降溫過程中碳原子從體相析出，并在表面成核生長石墨烯

4、結(jié)束語

　　文章在襯底材料的角度，綜述了襯底對CVD石墨烯生長的影響。可以看到，在大規(guī)�？煽厣�長方面，過渡金屬族襯底因其催化作用有著獨到的優(yōu)勢。但在金屬襯底上生長的石墨烯需要轉(zhuǎn)移到特定基體上，該過程會對石墨烯結(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，方便進一步的表征和應(yīng)用。但相比在金屬襯底上生長的石墨烯，其質(zhì)量和層數(shù)的可控性有待提高。

　　詳盡分析了Cu和Ni兩種襯底對石墨烯生長的不同影響。認為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CVD石墨烯生長的影響，還可以從單晶與多晶金屬襯底、襯底表面的預(yù)處理等方面進一步的研究襯底對生長石墨烯的影響。CVD法制備石墨烯未來的發(fā)展方向是在優(yōu)化工藝參數(shù)，進一步大面積、高質(zhì)量和層數(shù)可控合成石墨烯的同時，使它能在理想襯底上的直接生長，從而避免轉(zhuǎn)移步驟對石墨烯結(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)用研究將在未來幾年取得更多令人欣喜的成績。