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。碳原子擁有四個價電子,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,此外還有大量的無定形碳結(jié)構(gòu)同時具有一定比例的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年英國曼徹斯特大學安德烈·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,就掀起了波及全球的石墨烯研究熱潮。制備決定未來。對于新材料而言,能否從科學家手中的實驗樣品,變成工程師手里的實用材料,取決于在規(guī)�；�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,無論是早年的塑料產(chǎn)業(yè),還是近年來迅速崛起的碳纖維產(chǎn)業(yè),概莫如是。因此,對于石墨烯新材料來說,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,只適用于實驗室研究。隨后,人們通過氧化還原方法以及液相剝離方法實現(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,通過化學氣相沉積方法實現(xiàn)了單層石墨烯的生長,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氣相沉積技術(shù)在半導體工業(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。過去十多年,化學氣相沉積技術(shù)已被廣泛用于實驗室乃至工業(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)過十多年的發(fā)展,石墨烯的晶疇尺寸已經(jīng)從當年的10m 量級,達到今天的晶圓量級甚至更大。規(guī)�；�制備技術(shù)也不斷取得突破,據(jù)不完全統(tǒng)計,僅中國的石墨烯薄膜年產(chǎn)能就已達到350萬平方米。盡管如此,在高品質(zhì)石墨烯薄膜材料的規(guī)模化制備方面,人們?nèi)悦媾R著諸多挑戰(zhàn)性課題。從層數(shù)控制上講,單層石墨烯的化學氣相沉積生長已取得突破性進展,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也可能會提到日程上來。疇區(qū)尺寸的大小是衡量石墨烯薄膜品質(zhì)的重要指標,進一步提高疇區(qū)尺寸將是該領(lǐng)域的不懈追求。實用化的規(guī)�；�轉(zhuǎn)移技術(shù)是化學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在銅箔等金屬襯底上,實際應(yīng)用時需要剝離下來,轉(zhuǎn)移到目標襯底,例如塑料表面。對于單原子厚度的石墨烯材料來說,這是一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。攻克轉(zhuǎn)移技術(shù),或者另辟蹊徑,直接在絕緣性目標襯底上實現(xiàn)石墨烯的可控生長是石墨烯制備工作者們的重要使命。此外,從實用角度講,必須考慮成本問題。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)性問題的解決,都需要對化學氣相沉積技術(shù)以及石墨烯薄膜生長所涉及的相關(guān)物理化學過程有著深刻的理解,這也是編著本書的出發(fā)點和目的所在。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氣相沉積生長知識。希望能為初涉利用化學氣相沉積方法制備石墨烯的研究生和科研人員提供知識儲備,為相關(guān)科技工作者們展示化學氣相沉積生長石墨烯材料的新發(fā)展現(xiàn)狀,并為有志于從事石墨烯生長研究的同行們提供實驗研究指南。為此,本書主要圍繞化學氣相沉積方法制備石墨烯的ABC 和研究現(xiàn)狀展開,重點關(guān)注化學氣相沉積生長石墨烯方法的基本原理、反應(yīng)熱力學和動力學、生長過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,對化學氣相沉積方法的有關(guān)基本概念進行詳細介紹,進而分別對金屬襯底和絕緣襯底上石墨烯的生長方法進行系統(tǒng)性闡述。在進一步對晶疇尺寸、潔凈度、摻雜濃度等方面的研究進展展開討論的同時,我們也對石墨烯玻璃、泡沫石墨烯、粉體石墨烯的化學氣相沉積制備方法做了專門介紹。本書11章簡要介紹了基于化學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。全書由筆者負責統(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間,成稿于2020年春節(jié)期間。這是一個不平凡的時間節(jié)點,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間,因此得以全力以赴沉浸在著書立說之中,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,懇請廣大讀者批評指正。劉忠范2020年6月于墨園