碳元素以單質(zhì)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(gè)價(jià)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(gòu)成,而金剛石由sp3雜化的碳原子構(gòu)成,此外還有大量的無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)同時(shí)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(jì)后葉相繼被發(fā)現(xiàn)的零維的富勒烯和一維的碳納米管。21 世紀(jì)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(gòu)成的六方點(diǎn)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(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。自2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)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(lái),就掀起了波及全球的石墨烯研究熱潮。制備決定未來(lái)。對(duì)于新材料而言,能否從科學(xué)家手中的實(shí)驗(yàn)樣品,變成工程師手里的實(shí)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(guān)的新材料發(fā)展歷史,無(wú)論是早年的塑料產(chǎn)業(yè),還是近年來(lái)迅速崛起的碳纖維產(chǎn)業(yè),概莫如是。因此,對(duì)于石墨烯新材料來(lái)說(shuō),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(jī)械剝離方法,盡管得到的石墨烯質(zhì)量很高,但是受限于難以放大和層數(shù)不可控等因素,只適用于實(shí)驗(yàn)室研究。隨后,人們通過(guò)氧化還原方法以及液相剝離方法實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯微片和石墨烯微片的規(guī)�；�制備,然而片層厚度和質(zhì)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(guò)化學(xué)氣相沉積方法實(shí)現(xiàn)了單層石墨烯的生長(zhǎng),從此開辟了高品質(zhì)石墨烯薄膜材料規(guī)�；�制備的道路�；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)和新材料領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,有著非常豐富的技術(shù)積淀。過(guò)去十多年,化學(xué)氣相沉積技術(shù)已被廣泛用于實(shí)驗(yàn)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(gè)方面都具有良好的可控性,包括層數(shù)、晶疇尺寸、摻雜濃度等。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,石墨烯的晶疇尺寸已經(jīng)從當(dāng)年的10m 量級(jí),達(dá)到今天的晶圓量級(jí)甚至更大。規(guī)模化制備技術(shù)也不斷取得突破,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),僅中國(guó)的石墨烯薄膜年產(chǎn)能就已達(dá)到350萬(wàn)平方米。盡管如此,在高品質(zhì)石墨烯薄膜材料的規(guī)�；�制備方面,人們?nèi)悦媾R著諸多挑戰(zhàn)性課題。從層數(shù)控制上講,單層石墨烯的化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)已取得突破性進(jìn)展,但是雙層石墨烯及其扭轉(zhuǎn)角度的控制仍是難題。根據(jù)未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域的需求,三層石墨烯乃至更厚的石墨烯薄膜材料生長(zhǎng)也可能會(huì)提到日程上來(lái)。疇區(qū)尺寸的大小是衡量石墨烯薄膜品質(zhì)的重要指標(biāo),進(jìn)一步提高疇區(qū)尺寸將是該領(lǐng)域的不懈追求。實(shí)用化的規(guī)�；�轉(zhuǎn)移技術(shù)是化學(xué)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(zhǎng)在銅箔等金屬襯底上,實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要?jiǎng)冸x下來(lái),轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底,例如塑料表面。對(duì)于單原子厚度的石墨烯材料來(lái)說(shuō),這是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。攻克轉(zhuǎn)移技術(shù),或者另辟蹊徑,直接在絕緣性目標(biāo)襯底上實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控生長(zhǎng)是石墨烯制備工作者們的重要使命。此外,從實(shí)用角度講,必須考慮成本問(wèn)題。目前的制備技術(shù)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(wèn)題的解決,都需要對(duì)化學(xué)氣相沉積技術(shù)以及石墨烯薄膜生長(zhǎng)所涉及的相關(guān)物理化學(xué)過(guò)程有著深刻的理解,這也是編著本書的出發(fā)點(diǎn)和目的所在。編著本書的主要目的是為讀者提供基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和指南性的石墨烯化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)知識(shí)。希望能為初涉利用化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯的研究生和科研人員提供知識(shí)儲(chǔ)備,為相關(guān)科技工作者們展示化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯材料的新發(fā)展現(xiàn)狀,并為有志于從事石墨烯生長(zhǎng)研究的同行們提供實(shí)驗(yàn)研究指南。為此,本書主要圍繞化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯的ABC 和研究現(xiàn)狀展開,重點(diǎn)關(guān)注化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯方法的基本原理、反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、生長(zhǎng)過(guò)程的影響因素和控制方法等,并系統(tǒng)地介紹該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)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(jié)構(gòu)入手,對(duì)化學(xué)氣相沉積方法的有關(guān)基本概念進(jìn)行詳細(xì)介紹,進(jìn)而分別對(duì)金屬襯底和絕緣襯底上石墨烯的生長(zhǎng)方法進(jìn)行系統(tǒng)性闡述。在進(jìn)一步對(duì)晶疇尺寸、潔凈度、摻雜濃度等方面的研究進(jìn)展展開討論的同時(shí),我們也對(duì)石墨烯玻璃、泡沫石墨烯、粉體石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備方法做了專門介紹。本書11章簡(jiǎn)要介紹了基于化學(xué)氣相沉積方法的石墨烯規(guī)�；�制備現(xiàn)狀和挑戰(zhàn),12章討論了石墨烯從生長(zhǎng)襯底表面的剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)。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(zhǎng)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(fù)責(zé)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(shí)間,成稿于2020年春節(jié)期間。這是一個(gè)不平凡的時(shí)間節(jié)點(diǎn),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(shí)間,因此得以全力以赴沉浸在著書立說(shuō)之中,應(yīng)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(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。劉忠范2020年6月于墨園