石墨烯的化学气相沉积生长方法

　　本书围绕化学气相沉积方法制备石墨烯及其研究现状展开，重点关注化学气相沉积生长石墨烯方法的基本原理、反应热力学和动力学、生长过程的影响因素和控制方法等，并系统介绍了该领域的发展现状及代表性的研究工作。本书为读者提供基础性、系统性和指南性的石墨烯化学气相沉积生长知识，展示新研究成果，可供初涉利用化学气相沉积方法制备石墨烯的研究生、科研人员、相关科技工作者使用，也可作为有志于从事石墨烯生长研究人员的实验研究指南。

　　刘忠范，物理化学家，北京大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士， “万人计划”杰出人才。主要从事石墨烯等纳米碳材料研究，发表学术论文640余篇，出版专著、译著和科普著作6部，申请中国发明专利130余项。曾任国家攀登计划（B）、973计划、纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人。荣获国家自然科学二等奖、第八届纳米研究奖、北京大学“国华杰出学者奖”、宝钢优秀教师特等奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、北京市优秀教师等奖励。现任北京石墨烯研究院院长。

第 1章　碳的成键结构与同素异形体001
1.1 碳的成键原理与成键结构003
1.1.1 非共轭σ 键与π 键的形成003
1.1.2 离域π 键006
1.2 碳的同素异形体009
1.2.1 金刚石009
1.2.2 石墨与石墨烯010
1.2.3 富勒烯016
1.2.4 碳纳米管018
1.2.5 石墨炔020
1.2.6 长链卡宾023
1.3 同素异形体间的相互转换023
参考文献027
第章　石墨烯生长的基本概念031
2.1 化学气相沉积技术033
2.1.1 基本定义033
2.1.2 实验条件和分类方法034
2.2 碳源裂解反应042
2.2.1 气相碳源裂解过程042
2.2.2 生长衬底表面的碳源裂解过程045
2.3 生长动力学047
2.3.1 金属衬底溶碳能力的影响047
2.3.2 生长基元步骤048
2.3.3 生长边缘结构061
2.4 氢气的作用068
参考文献075
第3章　石墨烯在金属衬底上的催化生长079
3.1 铜表面上的生长087
3.1.1 表面自限制生长087
3.1.2 双层石墨烯的生长方法095
3.2 镍表面上的生长100
3.2.1 偏析生长100
3.2.2 层数控制107
3.3 其他金属表面上的生长111
3.3.1 ⅠB ⅡB 族过渡金属上石墨烯的生长111
3.3.2 ⅧB 族过渡金属上石墨烯的生长112
3.3.3 ⅣB ⅥB 族过渡金属上石墨烯的生长115
3.3.4 ⅦB 族过渡金属上石墨烯的生长116
3.4 合金表面上的生长117
3.4.1 Cu Ni合金118
3.4.2 Ni Mo合金120
3.4.3 Au Ni和Pd Co合金122
3.5 晶面取向对生长的影响123
3.5.1 晶面对石墨烯生长速度的影响124
3.5.2 晶面对石墨烯取向的影响126
3.5.3 晶面对石墨烯形状的影响129
3.5.4 衬底晶面与石墨烯的相互作用131
3.6 褶皱的定义与形成机制132
3.6.1 热力学导致的本征涟漪132
3.6.2 化学气相沉积生长过程形成的褶皱134
3.6.3 转移过程导致的褶皱136
3.6.4 褶皱对石墨烯性质的影响137
3.6.5 无褶皱石墨烯的生长方法141
参考文献145
第4章　石墨烯在绝缘衬底上的生长151
4.1 绝缘衬底的特殊性153
4.1.1 碳源热裂解154
4.1.2 传质和表面反应过程155
4.2 绝缘衬底上的石墨烯生长方法159
4.2.1 热裂解生长方法159
4.2.2 等离子体增强化学气相沉积生长方法162
4.2.3 催化剂辅助生长法164
4.3 六方氮化硼表面生长石墨烯167
4.3.1 六方氮化硼表面生长石墨烯的意义167
4.3.2 六方氮化硼表面生长石墨烯的方法171
参考文献179
第5章　大单晶石墨烯的生长方法185
5.1 成核189
5.1.1 成核过程189
5.1.2 成核密度与成核势垒195
5.2 畴区拼接199
5.3 大单晶石墨烯的生长方法203
5.3.1 单一成核位点外延生长方法204
5.3.2 多点同取向成核的无缝拼接法216
参考文献223
第6章　超洁净石墨烯的制备方法227
6.1 CVD 生长过程中石墨烯的本征污染问题229
6.2 本征污染的成因238
6.2.1 气相反应的复杂性238
6.2.2 衬底表面上的碳化和石墨化过程242
6.3 直接生长法制备超洁净石墨烯247
6.3.1 泡沫铜助催化生长法249
6.3.2 含铜碳源助催化生长法253
6.4 后处理法制备超洁净石墨烯257
6.4.1 二氧化碳氧化刻蚀技术257
6.4.2 魔力粘毛辊技术261
参考文献264
第7章　掺杂石墨烯的生长方法267
7.1 石墨烯的掺杂类型269
7.2 单一元素掺杂272
7.2.1 氮掺杂272
7.2.2 硼掺杂280
7.2.3 其他元素掺杂285
7.3 多元素共掺杂288
7.3.1 硼氮共掺杂288
7.3.2 选区掺杂290
7.4 掺杂结构的调控294
参考文献299
第8章　石墨烯玻璃的CVD 生长方法303
8.1 玻璃的化学组成及其作为CVD 生长衬底的特殊性306
8.2 石墨烯玻璃的高温生长方法308
8.2.1 常压CVD 生长法308
8.2.2 低压CVD 生长法311
8.2.3 熔融床CVD 生长法313
8.3 石墨烯玻璃的PECVD 生长方法316
8.3.1 垂直取向石墨烯的PECVD 生长317
8.3.2 水平取向石墨烯的PECVD 生长319
8.4 石墨烯玻璃的规模化制备320
8.4.1 规模化制备装备320
8.4.2 规模化制备工艺322
8.5 石墨烯玻璃的应用展望323
参考文献327
第9章　粉体石墨烯的CVD 生长方法331
9.1 粉体石墨烯的常规制备方法334
9.1.1 氧化还原法334
9.1.2 液相剥离法335
9.1.3 其他方法335
9.2 粉体石墨烯的模板CVD 生长方法336
9.2.1 金属颗粒模板法336
9.2.2 非金属颗粒模板法338
9.2.3 复杂分级结构石墨烯的模板生长法342
9.3 粉体石墨烯的无模板CVD 生长方法348
9.3.1 微波等离子体辅助生长法348
9.3.2 电弧放电生长法349
9.4 粉体石墨烯的生长机制349
参考文献350
第 10章　泡沫石墨烯的制备方法353
10.1 泡沫石墨烯材料355
10.2 组装法制备泡沫石墨烯356
10.2.1 水热还原法356
10.2.2 化学还原法359
10.2.3 冷冻干燥法360
10.2.4 3D 打印法361
10.2.5 其他方法362
10.3 化学气相沉积法制备泡沫石墨烯364
10.3.1 模板法364
10.3.2 无模板法375
参考文献378
第 11章　石墨烯薄膜的规模化生长技术381
11.1 制备工艺384
11.1.1 批次制程384
11.1.2 卷对卷制程386
11.2 工业级别的制备装备388
11.2.1 热壁化学气相沉积388
11.2.2 冷壁化学气相沉积390
11.2.3 等离子体化学气相沉积393
11.3 批量制备的关键参数396
11.3.1 碳源396
11.3.2 腔体压力398
参考文献401
第 12章　转移技术405
12.1 聚合物辅助转移法407
12.2 电化学鼓泡法411
12.3 插层转移法415
12.4 机械剥离法418
参考文献421
索引424