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本書圍繞化學氣相沉積方法制備石墨烯及其研究現狀展開,重點關注化學氣相沉積生長石墨烯方法的基本原理、反應熱力學和動力學、生長過程的影響因素和控制方法等,并系統(tǒng)介紹了該領域的發(fā)展現狀及代表性的研究工作。本書為讀者提供基礎性、系統(tǒng)性和指南性的石墨烯化學氣相沉積生長知識,展示新研究成果,可供初涉利用化學氣相沉積方法制備石墨烯的研究生、科研人員、相關科技工作者使用,也可作為有志于從事石墨烯生長研究人員的實驗研究指南。

石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個傳奇，也是當今橫跨學術界和產業(yè)界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當然，石墨烯是當之無愧的。作為由單層碳原子構成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導電性和導熱性較好的材料，也是理想的輕質高強材料。正因如此，一經問世便吸引了全球范圍的關注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個全新的產業(yè)，石墨烯產業(yè)將成為未來全球高科技產業(yè)競爭的高地，這一點已經成為國內外學術界和產業(yè)界的共識。從2004年至今，已經有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎研究，還是石墨烯材料的產業(yè)化實踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個全方位套叢書出的、科學的、理性的認識�？偨Y歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產業(yè)來說，戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實上，國內外已經出版了數十部石墨烯相關書籍，其中不乏經典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結石墨烯相關的知識積累，反映石墨烯領域的國內外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產業(yè)化現狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現國人對石墨烯領域的貢獻。本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領域的重量級學者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質和表征技術，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領域的應用，以及石墨烯產品的計量檢測標準等全方位的知識總結。同時，兩份產業(yè)研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產業(yè)發(fā)展現狀和未來發(fā)展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關問題答疑解惑，去偽求真。本叢書的內容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)性和即時性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產業(yè)的健康發(fā)展有所助益。1. 戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程十三五國家重點出版物出版規(guī)劃項目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質與表征技術、石墨烯的制備技術和計量標準、石墨烯的分類應用、石墨烯的發(fā)展現狀報告、石墨烯科普知識等五大部分共22分冊構成，本書為第05分冊。2. 叢書由我國石墨烯研究領域的主要開拓者及我國石墨烯發(fā)展的重要推動者、北京大學教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長劉忠范院士親自策劃并擔任總主編。3.全書采用80克雅質紙，彩色印刷，清晰直觀地展現了石墨烯的結構、模擬及表征結果。

碳元素以單質和化合物的形式廣泛存在于自然界中,如人們所熟知的石墨和金剛石等。碳原子擁有四個價電子,在碳元素形成的多種同素異形體中,碳原子之間可以以sp、sp2、sp3雜化等多種方式成鍵。其中,石墨由sp2雜化的碳原子構成,而金剛石由sp3雜化的碳原子構成,此外還有大量的無定形碳結構同時具有一定比例的sp2雜化和sp3雜化的碳原子。碳的同素異形體大家族有很多明星材料,如20世紀后葉相繼被發(fā)現的零維的富勒烯和一維的碳納米管。21 世紀初,人們又把目光投向了碳元素的二維同素異形體石墨烯。石墨烯是一種由單層碳原子構成的六方點陣蜂窩狀的二維原子晶體,它擁有其他材料難以媲美的光、電、磁、力、熱等性質和廣闊的應用前景。自2004年英國曼徹斯特大學安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KostyaNovoselov)利用普通膠帶從塊體石墨中成功剝離出石墨烯以來,就掀起了波及全球的石墨烯研究熱潮。制備決定未來。對于新材料而言,能否從科學家手中的實驗樣品,變成工程師手里的實用材料,取決于在規(guī)模化制備上能否取得真正的突破�？v觀與人類生活息息相關的新材料發(fā)展歷史,無論是早年的塑料產業(yè),還是近年來迅速崛起的碳纖維產業(yè),概莫如是。因此,對于石墨烯新材料來說,制備方法研究極為重要,必須引起高度重視,否則再好的性能,也只能是水中花、鏡中月。機械剝離方法,盡管得到的石墨烯質量很高,但是受限于難以放大和層數不可控等因素,只適用于實驗室研究。隨后,人們通過氧化還原方法以及液相剝離方法實現了氧化石墨烯微片和石墨烯微片的規(guī)模化制備,然而片層厚度和質量可控性都不能令人滿意。2009年,R.Ruoff等首次在銅箔襯底上,通過化學氣相沉積方法實現了單層石墨烯的生長,從此開辟了高品質石墨烯薄膜材料規(guī)�；苽涞牡缆�。化學氣相沉積技術在半導體工業(yè)和新材料領域已得到廣泛應用,有著非常豐富的技術積淀。過去十多年,化學氣相沉積技術已被廣泛用于實驗室乃至工業(yè)規(guī)模的石墨烯薄膜制備。該方法制備的石墨烯材料在多個方面都具有良好的可控性,包括層數、晶疇尺寸、摻雜濃度等。經過十多年的發(fā)展,石墨烯的晶疇尺寸已經從當年的10m 量級,達到今天的晶圓量級甚至更大。規(guī)�；苽浼夹g也不斷取得突破,據不完全統(tǒng)計,僅中國的石墨烯薄膜年產能就已達到350萬平方米。盡管如此,在高品質石墨烯薄膜材料的規(guī)�；苽浞矫�,人們仍面臨著諸多挑戰(zhàn)性課題。從層數控制上講,單層石墨烯的化學氣相沉積生長已取得突破性進展,但是雙層石墨烯及其扭轉角度的控制仍是難題。根據未來應用領域的需求,三層石墨烯乃至更厚的石墨烯薄膜材料生長也可能會提到日程上來。疇區(qū)尺寸的大小是衡量石墨烯薄膜品質的重要指標,進一步提高疇區(qū)尺寸將是該領域的不懈追求。實用化的規(guī)�；D移技術是化學氣相沉積方法制備石墨烯薄膜的伴生課題。通常石墨烯薄膜生長在銅箔等金屬襯底上,實際應用時需要剝離下來,轉移到目標襯底,例如塑料表面。對于單原子厚度的石墨烯材料來說,這是一個巨大的技術挑戰(zhàn)。攻克轉移技術,或者另辟蹊徑,直接在絕緣性目標襯底上實現石墨烯的可控生長是石墨烯制備工作者們的重要使命。此外,從實用角度講,必須考慮成本問題。目前的制備技術和制備工藝成本還很高,還有很大的創(chuàng)新空間。這些挑戰(zhàn)性問題的解決,都需要對化學氣相沉積技術以及石墨烯薄膜生長所涉及的相關物理化學過程有著深刻的理解,這也是編著本書的出發(fā)點和目的所在。編著本書的主要目的是為讀者提供基礎性、系統(tǒng)性和指南性的石墨烯化學氣相沉積生長知識。希望能為初涉利用化學氣相沉積方法制備石墨烯的研究生和科研人員提供知識儲備,為相關科技工作者們展示化學氣相沉積生長石墨烯材料的新發(fā)展現狀,并為有志于從事石墨烯生長研究的同行們提供實驗研究指南。為此,本書主要圍繞化學氣相沉積方法制備石墨烯的ABC 和研究現狀展開,重點關注化學氣相沉積生長石墨烯方法的基本原理、反應熱力學和動力學、生長過程的影響因素和控制方法等,并系統(tǒng)地介紹該領域的發(fā)展現狀以及代表性的研究工作。本書共分為十二章,從碳元素的同素異形體和成鍵結構入手,對化學氣相沉積方法的有關基本概念進行詳細介紹,進而分別對金屬襯底和絕緣襯底上石墨烯的生長方法進行系統(tǒng)性闡述。在進一步對晶疇尺寸、潔凈度、摻雜濃度等方面的研究進展展開討論的同時,我們也對石墨烯玻璃、泡沫石墨烯、粉體石墨烯的化學氣相沉積制備方法做了專門介紹。本書11章簡要介紹了基于化學氣相沉積方法的石墨烯規(guī)�；苽洮F狀和挑戰(zhàn),12章討論了石墨烯從生長襯底表面的剝離和轉移技術。本書由筆者和十余位博士生、博士后共同完成,均為從事石墨烯生長研究的一線人員。具體分工如下:1章,任華英;第2章,林立李珍珠;第3章,林立、鄧兵、亓月;第4章,陳旭東、李秋珵;第5章,林立、王歡;第6章,張金燦;第7章,孫祿釗、林立;第8章,孫靖宇、單俊杰、劉冰之;第9章,陳珂;10章,任華英、單婧媛;11章,鄧兵、黨文輝;12章,張金燦、鄧兵等。全書由筆者負責統(tǒng)稿、再加工和審校,林立博士也做了大量的組織編輯工作。值得一提的是,本書從策劃到完稿前后花了逾兩年半時間,成稿于2020年春節(jié)期間。這是一個不平凡的時間節(jié)點,新型冠狀病毒肆虐,大家只能蝸居家中。少了往日的喧囂,多了整塊可支配的安靜時間,因此得以全力以赴沉浸在著書立說之中,應了所謂禍兮福之所倚,福兮禍之所伏的老話。由于作者水平所限,書中難免存在諸多不足,懇請廣大讀者批評指正。劉忠范2020年6月于墨園

第 1章　碳的成鍵結構與同素異形體001
1.1 碳的成鍵原理與成鍵結構003
1.1.1 非共軛鍵與鍵的形成003
1.1.2 離域鍵006
1.2 碳的同素異形體009
1.2.1 金剛石009
1.2.2 石墨與石墨烯010
1.2.3 富勒烯016
1.2.4 碳納米管018
1.2.5 石墨炔020
1.2.6 長鏈卡賓023
1.3 同素異形體間的相互轉換023
參考文獻027
第章　石墨烯生長的基本概念031
2.1 化學氣相沉積技術033
2.1.1 基本定義033
2.1.2 實驗條件和分類方法034
2.2 碳源裂解反應042
2.2.1 氣相碳源裂解過程042
2.2.2 生長襯底表面的碳源裂解過程045
2.3 生長動力學047
2.3.1 金屬襯底溶碳能力的影響047
2.3.2 生長基元步驟048
2.3.3 生長邊緣結構061
2.4 氫氣的作用068
參考文獻075
第3章　石墨烯在金屬襯底上的催化生長079
3.1 銅表面上的生長087
3.1.1 表面自限制生長087
3.1.2 雙層石墨烯的生長方法095
3.2 鎳表面上的生長100
3.2.1 偏析生長100
3.2.2 層數控制107
3.3 其他金屬表面上的生長111
3.3.1 ⅠB ⅡB 族過渡金屬上石墨烯的生長111
3.3.2 ⅧB 族過渡金屬上石墨烯的生長112
3.3.3 ⅣB ⅥB 族過渡金屬上石墨烯的生長115
3.3.4 ⅦB 族過渡金屬上石墨烯的生長116
3.4 合金表面上的生長117
3.4.1 Cu Ni合金118
3.4.2 Ni Mo合金120
3.4.3 Au Ni和Pd Co合金122
3.5 晶面取向對生長的影響123
3.5.1 晶面對石墨烯生長速度的影響124
3.5.2 晶面對石墨烯取向的影響126
3.5.3 晶面對石墨烯形狀的影響129
3.5.4 襯底晶面與石墨烯的相互作用131
3.6 褶皺的定義與形成機制132
3.6.1 熱力學導致的本征漣漪132
3.6.2 化學氣相沉積生長過程形成的褶皺134
3.6.3 轉移過程導致的褶皺136
3.6.4 褶皺對石墨烯性質的影響137
3.6.5 無褶皺石墨烯的生長方法141
參考文獻145
第4章　石墨烯在絕緣襯底上的生長151
4.1 絕緣襯底的特殊性153
4.1.1 碳源熱裂解154
4.1.2 傳質和表面反應過程155
4.2 絕緣襯底上的石墨烯生長方法159
4.2.1 熱裂解生長方法159
4.2.2 等離子體增強化學氣相沉積生長方法162
4.2.3 催化劑輔助生長法164
4.3 六方氮化硼表面生長石墨烯167
4.3.1 六方氮化硼表面生長石墨烯的意義167
4.3.2 六方氮化硼表面生長石墨烯的方法171
參考文獻179
第5章　大單晶石墨烯的生長方法185
5.1 成核189
5.1.1 成核過程189
5.1.2 成核密度與成核勢壘195
5.2 疇區(qū)拼接199
5.3 大單晶石墨烯的生長方法203
5.3.1 單一成核位點外延生長方法204
5.3.2 多點同取向成核的無縫拼接法216
參考文獻223
第6章　超潔凈石墨烯的制備方法227
6.1 CVD 生長過程中石墨烯的本征污染問題229
6.2 本征污染的成因238
6.2.1 氣相反應的復雜性238
6.2.2 襯底表面上的碳化和石墨化過程242
6.3 直接生長法制備超潔凈石墨烯247
6.3.1 泡沫銅助催化生長法249
6.3.2 含銅碳源助催化生長法253
6.4 后處理法制備超潔凈石墨烯257
6.4.1 二氧化碳氧化刻蝕技術257
6.4.2 魔力粘毛輥技術261
參考文獻264
第7章　摻雜石墨烯的生長方法267
7.1 石墨烯的摻雜類型269
7.2 單一元素摻雜272
7.2.1 氮摻雜272
7.2.2 硼摻雜280
7.2.3 其他元素摻雜285
7.3 多元素共摻雜288
7.3.1 硼氮共摻雜288
7.3.2 選區(qū)摻雜290
7.4 摻雜結構的調控294
參考文獻299
第8章　石墨烯玻璃的CVD 生長方法303
8.1 玻璃的化學組成及其作為CVD 生長襯底的特殊性306
8.2 石墨烯玻璃的高溫生長方法308
8.2.1 常壓CVD 生長法308
8.2.2 低壓CVD 生長法311
8.2.3 熔融床CVD 生長法313
8.3 石墨烯玻璃的PECVD 生長方法316
8.3.1 垂直取向石墨烯的PECVD 生長317
8.3.2 水平取向石墨烯的PECVD 生長319
8.4 石墨烯玻璃的規(guī)�；苽�320
8.4.1 規(guī)模化制備裝備320
8.4.2 規(guī)�；苽涔に�322
8.5 石墨烯玻璃的應用展望323
參考文獻327
第9章　粉體石墨烯的CVD 生長方法331
9.1 粉體石墨烯的常規(guī)制備方法334
9.1.1 氧化還原法334
9.1.2 液相剝離法335
9.1.3 其他方法335
9.2 粉體石墨烯的模板CVD 生長方法336
9.2.1 金屬顆粒模板法336
9.2.2 非金屬顆粒模板法338
9.2.3 復雜分級結構石墨烯的模板生長法342
9.3 粉體石墨烯的無模板CVD 生長方法348
9.3.1 微波等離子體輔助生長法348
9.3.2 電弧放電生長法349
9.4 粉體石墨烯的生長機制349
參考文獻350
第 10章　泡沫石墨烯的制備方法353
10.1 泡沫石墨烯材料355
10.2 組裝法制備泡沫石墨烯356
10.2.1 水熱還原法356
10.2.2 化學還原法359
10.2.3 冷凍干燥法360
10.2.4 3D 打印法361
10.2.5 其他方法362
10.3 化學氣相沉積法制備泡沫石墨烯364
10.3.1 模板法364
10.3.2 無模板法375
參考文獻378
第 11章　石墨烯薄膜的規(guī)�；L技術381
11.1 制備工藝384
11.1.1 批次制程384
11.1.2 卷對卷制程386
11.2 工業(yè)級別的制備裝備388
11.2.1 熱壁化學氣相沉積388
11.2.2 冷壁化學氣相沉積390
11.2.3 等離子體化學氣相沉積393
11.3 批量制備的關鍵參數396
11.3.1 碳源396
11.3.2 腔體壓力398
參考文獻401
第 12章　轉移技術405
12.1 聚合物輔助轉移法407
12.2 電化學鼓泡法411
12.3 插層轉移法415
12.4 機械剝離法418
參考文獻421
索引424

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