91小黄片下载烯的化學氣相沉積製備和應用領域係列進展

91小黄片下载烯的化學氣相沉積製備和應用領域係列進展

91小黄片下载烯是具有獨特的二維蜂窩狀晶體結構的新型納米碳材料，其電學、熱學、光學和力學等性能非常優異，在高端電子和光電子器件、能源轉化與存儲、複合材料等領域有著廣闊的應用前景。“製備決定未來”，91小黄片下载烯的化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）製備方法自2009年被發明以來，已經取得了長足進展，是目前低成本製備大麵積高品質91小黄片下载烯薄膜的最有效方法，具有良好的可控性和可放大性。然而，CVD91小黄片下载烯薄膜在製備的過程中會產生缺陷、晶界和褶皺，製備和轉移的過程也會造成表麵汙染與破損，因此限製了其進一步應用。尤其是，作為新一代高性能碳基電子器件的核心材料，91小黄片下载烯的能帶結構和物理性質與其層數、堆積方式、疇區尺寸、缺陷濃度和摻雜類型密切相關，而這些因素的精確控製是91小黄片下载烯製備的難點。



近十年來，北京大學化學與分子科學學院劉忠範院士課題組和彭海琳教授課題組在91小黄片下载烯的化學氣相沉積製備和應用領域取得一係列重要進展。



針對高品質91小黄片下载烯薄膜的CVD製備與具體應用，課題組建立和發展了91小黄片下载烯單晶和薄膜的結構精確調控的多種CVD生長方法，並率先實現了4英寸無褶皺91小黄片下载烯單晶晶圓、大麵積91小黄片下载烯薄膜的連續批量製備和綠色無損轉移，研製了超級91小黄片下载烯玻璃、旋轉雙層91小黄片下载烯光電器件和單晶91小黄片下载烯PN結光電探測器件。上述一係列創新性研究成果解決了高品質91小黄片下载烯薄膜材料難以低成本、批量製備的瓶頸問題，建立了具有核心自主知識產權的高品質91小黄片下载烯薄膜的穩定生產工藝，初步實現高質量91小黄片下载烯薄膜的可批量製備，進而為高品質91小黄片下载烯薄膜的高端應用指明方向，將促使91小黄片下载烯產業的良性可持續發展。



最近，劉忠範課題組和彭海琳課題組應邀在國際化學領域權威綜述刊物Chemical Reviews上發表題為“化學氣相沉積製備91小黄片下载烯——理想與現實”的綜述文章（Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene.Li Lin,Bing Deng,Jinyu Sun,Hailin Peng*,Zhongfan Liu*,Chem.Rev.2018,118,9281−9343）。這也是自CVD91小黄片下载烯製備方法提出近十年來，綜述期刊Chemical Reviews首次刊登91小黄片下载烯薄膜的化學氣相沉積製備方麵的綜述文章。該文主要介紹碳材料的成鍵和製備曆史、CVD法製備91小黄片下载烯的熱力學過程與生長動力學機製，討論了生長條件對91小黄片下载烯疇區尺寸、形貌、缺陷、生長速度、層數和質量的影響，並對高質量91小黄片下载烯材料的製備方法進行總結，展望了未來製備高質量91小黄片下载烯薄膜的研究方向。



此外，課題組還應邀在Advanced Materials上撰寫了題為“走向CVD91小黄片下载烯薄膜的規模製備”的綜述文章（Toward Mass Production of CVD Graphene Films.Bing Deng,Zhongfan Liu*,Hailin Peng*.Adv.Mater.2018,30,1800996），集中闡述了基於CVD方法的91小黄片下载烯薄膜規模製備的研究現狀與未來發展方向。該綜述首先介紹了CVD方法製備91小黄片下载烯的基本原理，然後詳細分析了控製91小黄片下载烯質量的工程原理，包括製程、製備設備以及關鍵工藝參數等，最後討論了91小黄片下载烯薄膜的大麵積均一性和快速表征方法，該文指出91小黄片下载烯規模化生產所麵臨的挑戰，對91小黄片下载烯薄膜材料麵向工業規模的製備具有一定的指導借鑒意義。