背景介绍
石墨烯具有独特的结构和优异的性质，近年来获得了学术界和工业界的密切关注。基于静态批次制程（batch-to-batch）的化学气相沉积（CVD）技术具有可控性好的优点，广泛用于石墨烯薄膜的生长。对于石墨烯薄膜的批量制备而言，除了材料品质，还需考虑产能问题与生长速度（成本）问题。通过将铜箔衬底进行卷绕或堆叠，充分利用石英管内空间，是提升石墨烯薄膜批次产能的有效方法。然而，随着卷绕或堆叠密度的增加，相邻铜箔在高温下易相互粘连，且铜箔间狭窄的缝隙将阻碍前驱体（如甲烷）的传质过程，使石墨烯薄膜生长速度降低，CVD反应能耗增加。如何有效兼顾产能与生长速度，是该方法目前面临的主要挑战。
成果简介
本研究构建了一种碳纤维纸-铜箔交替放置的叠层结构，以用于石墨烯薄膜的快速批量制备。碳纤维纸具有轻薄多孔的特性，其作为间隔层，不仅可以防止相邻铜箔间的粘连，还可作为前驱体传质的天然通道，进而有效提升石墨烯的生长速度。借助这一设计，研究者在2 min内实现了50片石墨烯薄膜（单片尺寸为25 cm × 7 cm）的批量制备，且得到的石墨烯薄膜具有较好的质量与均匀性。为进一步明确叠层结构中前驱体传质方式与石墨烯生长的动力学过程，研究者采用计算流体力学（CFD）模拟及同位素标记技术进行了系统分析。
作者简介
北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范院士、孙禄钊特聘研究员课题组致力于通用石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）生长方法研究，近年来从催化剂衬底设计、热动力学控制、以及规模化制备等方面取得了一系列成果，发展了大尺寸Cu(111)、CuNi(111)单晶箔材催化衬底的制备方法，实现了单晶石墨烯薄膜的外延生长、超洁净石墨烯薄膜的可控制备、以及0~30°扭转双层石墨烯的CVD生长，研制了A3尺寸通用石墨烯薄膜批量生长装备，开发了一系列匀气、导热、以及衬底应力调控的方法，实现了大畴区石墨烯薄膜的量产。相关研究成果发表在Nature Reviews Methods Primers、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano等国际知名期刊。
本课题组还将继续发展通用石墨烯薄膜的可控制备方法，不断开拓新型基体上特殊结构石墨烯的可控生长方法，开发新型石墨烯复合材料及杀手锏级应用，同时开展石墨烯物性研究及精细表征，研制石墨烯CVD生长装备（规模化装备、原位检测装置等）。本课题组经费充足，长期诚聘博士后及研发工程师若干名，欢迎物理、化学、材料相关背景有志之士加入本课题组！
有意向者请将个人简历及相关资料发送至邮箱：sunlz-cnc@pku.edu.cn或sunlz@bgi-graphene.com。
文章信息
Z. Ma, H. Chen, X. Song, et al. Porous-structure engineered spacer for high-throughput and rapid growth of high-quality graphene films. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4609-7.
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