超洁净石墨烯薄膜

成会明

1清华大学，清华-伯克利深圳学院，深圳盖姆石墨烯中心，广东 深圳 518055

2中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家研究中心，先进炭材料研究部，沈阳 110016

超洁净石墨烯薄膜的制备方法。

石墨烯具有优异的电学、光学、热学和力学等性质，在学术界和工业界都受到极大的关注和重视。众所周知，制备决定材料的未来。化学气相沉积方法(Chemical Vapor Deposition，CVD)是目前制备大面积、高质量石墨烯薄膜的最佳选择1,2。近年来，针对石墨烯薄膜缺陷浓度、畴区尺寸、堆垛方式、层数、掺杂浓度等的精确控制均取得了一系列进展3-5。然而，CVD制备石墨烯过程中的污染问题一直没有得到足够的重视和解决，这极大地限制了对高质量石墨烯薄膜基础研究和产业化应用的推进。因此，明晰石墨烯薄膜表面污染物的成因，并在温和条件下实现高质量、超洁净石墨烯薄膜的大面积、低成本、可控生长，成为亟待解决的重大挑战。

北京大学刘忠范教授研究组和彭海琳教授研究组首次发现并阐明了化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的本征污染问题及其普遍性，确认了石墨烯薄膜表面污染物的主要成分是无定形碳，并对其结构和成因进行了深入系统的研究。进而他们提出了“助催化”策略对气相反应进行调控，通过构筑泡沫铜/铜箔垂直堆垛结构6和选用含铜碳源—醋酸铜7，保证了在石墨烯生长过程中粘滞层内铜催化剂的持续有效供给，从而促进了气相活性碳物种的充分裂解，抑制了生成无定形碳污染物的副反应的发生，最终率先实现了超洁净石墨烯薄膜的直接制备。

除了抑制石墨烯薄膜生长过程中副产物的生成外，刘忠范教授研究组和彭海琳教授研究组还提出了表面清洁工艺，对已经形成的表面污染物进行选择性去除，制备出了大面积超洁净石墨烯薄膜。弱氧化剂，如二氧化碳，能够在CVD系统内原位刻蚀去除反应活性更高的无定形碳污染物，其在合适反应温度窗口内(～500 °C)的高刻蚀选择性保证了石墨烯的晶格结构不受破坏8。此外，由活性炭粉末粘结而成的“魔力粘毛辊”对污染物有强吸附能力，结合界面力的调控，也能够高效清洁石墨烯表面，且处理工艺温度更低(～180 °C)9。上述后处理方法简单、温和、兼容性好，更适合超洁净石墨烯薄膜的大面积、低成本批量制备。

生长在铜金属表面的石墨烯薄膜需转移至特定功能基底上才能有效发挥其作用。非洁净石墨烯转移后其表面通常有大量的高聚物残留，而洁净生长的石墨烯薄膜转移后仍能保持高洁净度6-9。特别值得指出的是，超洁净石墨烯薄膜表现出优异的电学6-9、光学6-9、热学6性质和本征亲水性6。其中，超高的载流子迁移率(1083000 cm2·V-1·s-1)和极低的接触电阻(96 Ω·μm)均优于目前文献报道的所有CVD石墨烯薄膜的测量结果6,9。

上述相关研究成果近期分别在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊上在线发表6-9。超洁净石墨烯的成功制备将大大促进石墨烯的基础研究与应用开发，加快推动CVD制备的石墨烯薄膜的实际应用。