石墨烯有獨特的結構和優異的性能，在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域都有著廣闊的應用前景。為了更好的應用這種新型材料，如何大規模可控合成高質量石墨烯是一個必須克服的困難。相比與機械剝離法、化學氧化還原法和碳化硅表面外延生長法，化學氣相沉積法(CVD)因其可以生長大面積高質量連續石墨烯膜而倍受關注。基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展新趨勢。

1、引言

　　2004年英國曼徹斯特大學的Geim研究小組首次制備出穩定的單層二維(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。這種特殊結構蘊含了豐富而新奇的物理現象，使石墨烯表現出許多優異的性質。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%；優異的電學性能，室溫下電子遷移率2×105cm2/(V·s)；楊氏模量1100GPa，斷裂強度130GPa；有很高的熱導率(大于3000W·mK-1)。此外它還有著完美的量子隧道效應、半整數量子霍爾效應、雙極場效應等一系列性質。這些優異的性質引起了物理、化學、材料等不同領域科學家的極大研究興趣，也使的石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域具有巨大的應用前景。

　　為了使石墨烯優異的性能得到更好的利用，人們在尋找一種可控生產高質量石墨烯的方法。目前應用比較多的有4種方法:機械剝離法、學氧化還原法、碳化硅表面外延生長、化學氣相沉積法。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，也能制備出高質量的石墨烯，但是產量較小且費時費力，不適合大規模的生產。化學氧化還原法是目前可以工業化量產石墨烯的有效方法，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移，所以這種方法沒有廣泛地被運用。化學氣相沉積法(chemicalvapordeposition，CVD)因其可以生長大面積，高質量的連續石墨烯膜已經越來越受到人們的重視，并且結合微波等離子體技術，可以把生長溫度降低數百度。現在已經可以用CVD法制備出大面積(最大面積76cm)、層數可以控制、高質量(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)能實現石墨烯大面積層數可控生長；(2)能在相對較低溫度的生長條件下制備出高質量石墨烯；(3)襯底易于石墨烯分離，便于轉移；(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量，還會影響到后續進一步的表征和應用。

　　2.1、金屬襯底上石墨烯的生長

　　金屬催化法是指固態或氣態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生長是一個復雜的多相催化反應體系。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，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、制備石墨烯質量最好的兩種金屬催化劑襯底。

圖1 化學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，在大規模可控生長方面，過渡金屬族襯底因其催化作用有著獨到的優勢。但在金屬襯底上生長的石墨烯需要轉移到特定基體上，該過程會對石墨烯結構和質量造成影響。絕緣襯底，如硅或玻璃等，由于沒有轉移工藝，方便進一步的表征和應用。但相比在金屬襯底上生長的石墨烯，其質量和層數的可控性有待提高。

　　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、層數可控的高質量石墨烯薄膜。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展方向是在優化工藝參數，進一步大面積、高質量和層數可控合成石墨烯的同時，使它能在理想襯底上的直接生長，從而避免轉移步驟對石墨烯結構和質量的影響；并且借助等離子沉積技術，降低生長溫度，使它更加適合工業化生產的要求。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。相信石墨烯這一優異材料的應用研究將在未來幾年取得更多令人欣喜的成績。