顆粒在線訊：石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道緊密堆積成的六角型呈蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，其擁有很高的載流子遷移率、熱導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度以及可見(jiàn)光透光率等性能。目前技術(shù)相對(duì)成熟和可規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)方法主要有氧化還原法、機(jī)械剝離法和化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）法，相對(duì)其它石墨烯制備方法，CVD法具有產(chǎn)物質(zhì)量高、生長(zhǎng)面積大、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)，其性能也更接近于石墨烯本征物性。

CVD這一方法最早出現(xiàn)在二十世紀(jì)六十年代，主要用來(lái)制備高純度、高性能的固體薄膜。2009年，德克薩斯州大學(xué)Rodney Ruoff教授團(tuán)隊(duì)采用CVD法首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯的制備，它的原理主要是將一種含碳的前驅(qū)氣體（甲烷、乙烯等）在高溫和真空的環(huán)境下，用氫氣作為還原性氣體通入反應(yīng)爐內(nèi)，通過(guò)金屬基底的催化作用，使前驅(qū)氣體裂解從而最終在基底表面形成石墨烯（如圖1所示）。

圖1 CVD法制備石墨烯的基本步驟

由于CVD法對(duì)于制備高質(zhì)量、大面積的石墨烯單晶或薄膜具有優(yōu)異的可控性和可擴(kuò)展性，近年來(lái)科學(xué)家們對(duì)CVD法合成石墨烯的技術(shù)原理及生長(zhǎng)條件、轉(zhuǎn)移工藝、生長(zhǎng)設(shè)備等方面做了大量研究工作。尤其是針對(duì)不同的技術(shù)原理和生長(zhǎng)工藝而開發(fā)出具有不同特點(diǎn)的CVD設(shè)備（如表1所示）。一般說(shuō)來(lái)，CVD技術(shù)主要包括低壓（LP）CVD、常壓（AP）CVD及等離子體增強(qiáng)（PE）CVD，可以根據(jù)各自不同的技術(shù)特點(diǎn)而被運(yùn)用在特定的場(chǎng)景需求之中。另外，在CVD法石墨烯制備的過(guò)程中，溫度控制是反應(yīng)過(guò)程中非常重要的因素之一。為此，CVD設(shè)備還可分為熱壁（HW）CVD和冷壁（CW）CVD兩種類型。相較于HWCVD的石墨烯生長(zhǎng)耗時(shí)長(zhǎng)、能量消耗高等缺點(diǎn)，CWCVD可進(jìn)行快速的加熱與冷卻，從而縮短生長(zhǎng)時(shí)間以及減少氣體的消耗。與此同時(shí)，其冷壁效果可以有效地抑制HWCVD中存在的高溫氣相副反應(yīng)，而這正是導(dǎo)致CVD石墨烯薄膜表面被污染的重要因素之一。

表1 CVD石墨烯設(shè)備的類別及其優(yōu)缺點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)CVD法石墨烯大規(guī)模、高質(zhì)量、連續(xù)化的制備，除了針對(duì)不同的應(yīng)用需求選擇合適的技術(shù)和設(shè)備之外，在實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中，生產(chǎn)工藝的選擇也同樣非常重要。目前，主流的CVD石墨烯大規(guī)?；a(chǎn)方式有兩種，分別是分批次（Batch to Batch）法和卷對(duì)卷（Roll to Roll）法。其中，Batch to Batch法已通過(guò)實(shí)驗(yàn)室級(jí)的大量研究，工藝方法相較成熟，而且可較低成本實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)CVD法石墨烯的制備。圖2展示了可實(shí)現(xiàn)CVD石墨烯的Batch to Batch法制備，在每一批次的石墨烯生產(chǎn)中，在銅箔之間插入石墨片達(dá)到一定數(shù)量銅箔的堆疊，通過(guò)控制反應(yīng)腔體中的反應(yīng)氣氛的均一性，最終實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜的批量化生產(chǎn)。

圖2 分批次生產(chǎn)法（Batch to Batch）在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯實(shí)例展示

基于以上背景，行業(yè)內(nèi)不少企業(yè)很早就著力于CVD法石墨烯薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)及規(guī)?；瘧?yīng)用研究。墨?？萍甲鳛橐患覍ｉT從事于石墨烯等先進(jìn)材料應(yīng)用開發(fā)的高科技新材料公司，早在公司成立第二年就已在該方向有所布局。其所使用的工業(yè)級(jí)CVD反應(yīng)爐具備一定規(guī)模石墨烯薄膜的批量化生產(chǎn)能力。與此同時(shí)，該設(shè)備的腔體帶有冷壁效果，可以有效地保證石墨烯薄膜產(chǎn)品的品質(zhì)以及潔凈程度，使其具備中高端產(chǎn)品應(yīng)用能力。目前，已持續(xù)穩(wěn)定地向各科研院所或企業(yè)供應(yīng)多種不同規(guī)格的CVD銅基石墨烯，用戶使用效果反饋良好。譬如，“MFVU-1060”型銅基石墨烯（規(guī)格：10cm x 10cm），其特點(diǎn)為單層率可達(dá)98%，透光率大于97%，石墨烯表面無(wú)污染物（如圖3所示）。此外，由于CVD石墨烯在銅基上的應(yīng)用較為局限，墨?？萍歼€采用自主開創(chuàng)的特殊轉(zhuǎn)移工藝，可批量化地生產(chǎn)其應(yīng)用產(chǎn)品——石墨烯TEM金屬載網(wǎng)。該產(chǎn)品擁有的石墨烯薄膜覆蓋率高，破損率低，相比傳統(tǒng)的金屬載網(wǎng)（非晶碳膜/金屬載網(wǎng)、金屬載網(wǎng)）具有較高的電子遷移率和熱傳導(dǎo)率，適用于生物分子結(jié)構(gòu)解析的冷凍電鏡和普通透射電鏡使用（如圖4所示）。

圖3 墨睿科技CVD法銅基石墨烯及其微觀形貌

圖4 墨?？萍际㏕EM金屬載網(wǎng)及其微觀形貌

除此之外，市面上部分石墨烯公司還基于CVD法石墨烯開發(fā)出了石墨烯發(fā)熱膜、石墨烯觸控屏等產(chǎn)品。但即使如此，CVD法石墨烯及其相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展欠缺活力，這其中的因素多而復(fù)雜。比如，如何較好地設(shè)計(jì)和調(diào)整生產(chǎn)條件（工藝、設(shè)備、關(guān)鍵參數(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)特性的調(diào)控，以滿足不同場(chǎng)景和性能需求下的應(yīng)用開發(fā)。同時(shí)針對(duì)不同應(yīng)用的特殊性，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中合理設(shè)計(jì)和控制成本效益、生產(chǎn)能力等方面因素提出了更高要求；亦或是如何精準(zhǔn)有效地將金屬基底上高品質(zhì)、層數(shù)均一的石墨烯轉(zhuǎn)移至不同的功能層或襯底上，再將其應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景中?？偠灾?，CVD法石墨烯的發(fā)展及應(yīng)用之路還很漫長(zhǎng)，如何開發(fā)出真正能夠影響甚至改變生活的“殺手锏”應(yīng)用，這還需要各方力量共同努力。

參考資料：

【1】 Li, X.; Cai, W.; An, J.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science 2009, 324, 1312?1314.

【2】CVD的種類與比較。https://www.docin.com/p-526086080.html