【NCM封面文章】南京大学高力波团队：CVD生长石墨烯：机制、进展与挑战

研究背景

石墨烯因其卓越的物理化学性能引起广泛关注。在多种制备方法中，化学气相沉积（CVD）法因其可控性强、成本低且适合大面积生产的优势，成为制备高质量石墨烯薄膜的主流方法。近年来，通过优化衬底、质子辅助解耦和氧辅助策略等多种手段，CVD技术已生长出晶圆级单晶石墨烯，薄膜的电学性能接近胶带剥离的样品。然而，该技术仍然面临绝缘衬底直接生长、低温高质量制备以及缺陷动态调控等关键挑战。

工作简介

该综述首先回顾了CVD生长石墨烯的气-固界面反应机制，包括碳源热解、活性碳物种迁移和外延生长过程。随后，从碳源类型、气体组分影响、衬底特征（金属/非金属）及辅助调控策略四个方面，系统分析影响CVD石墨烯形貌和性能的关键因素，并探讨生长机制与非金属衬底生长、低温生长等核心问题的关联。

图1 CVD石墨烯的生长机制与调控维度

随后，该综述重点围绕四个关键研究方向，总结近年来的重要进展：

首先，总结单晶石墨烯生长两种主流制备路径：包括单晶成核控制和多晶无缝拼接。单晶成核是通过降低成核密度或精确调控碳源供给，使单个晶粒持续生长为大面积单晶薄膜。对比而言，通过调控晶粒取向，使多个单晶晶粒无缝融合的生长方式，速率快，更具应用潜力。

图2 单晶石墨烯的主流生长路径与成果展示

然后，分析高温生长产生的褶皱对石墨烯性能的影响，并总结可通过调控衬底热匹配、控制生长温度和质子辅助等策略抑制褶皱。其中，重点介绍质子辅助生长超平滑石墨烯的生长过程，强调了质子辅助促进衬底-石墨烯解耦，通过实现均匀的弱耦合消除褶皱。

图3 褶皱形成机制与无褶皱生长策略

紧接着，该综述简要总结了石墨烯的层数控制方案，包括利用自限制生长、溶碳-析碳机制和辅助催化剂，实现单层、双层乃至多层石墨烯的可控生长。然后，特别指出当前对均匀多层石墨烯迫切需求，而大面积均匀多层石墨烯的生长策略仍存在显著研究空白，其关键技术和生长机制亟待深入探索。

图4 不同层数石墨烯的生长机制与代表成果

此外，该综述从快速生长策略以及工业化大规模制备两个方面介绍了石墨烯产业化的关键技术成果，重点回顾氧辅助、硅化金属衬底等策略实现的石墨烯快速生长，以及卷对卷生长、批量生长等产业化成果。

图5 工业级石墨烯制备的关键技术路径

该综述最后指出，尽管石墨烯CVD生长已取得显著进展，但在表面吸附动力学、衬底催化本质及气氛-衬底相互作用等基础问题上仍缺乏清晰认识。未来需通过“理论突破 + 工艺创新”的路径，深入解析核心机制，构建可量化调控的生长体系，并开发新型辅助方法，以应对非金属衬底成核和大面积多层均匀生长等关键挑战，推动石墨烯生长实现高质量、可控化及应用落地。

文章信息

黄子翀，刘伟林，李骏，等。化学气相沉积法生长石墨烯的现状及展望 [J]. 新型炭材料（中英文）, 2025, 40 (3): 457-476.

Zi-chong HUANG, Wei-lin LIU, Jun LI, et al. Current status and prospect of graphene growth by chemical vapor deposition [J]. New Carbon Materials, 2025, 40 (3): 457-476.

https://doi.org/10.1016/S1872-5805(25)60991-7

通讯作者简介

袁国文，南京大学物理学院助理教授，博士生导师。研究方向为石墨烯等二维材料的可控制备。近五年来共计发表15篇学术论文，其中一作/通讯作者包括Nature、Nature Commun.、Natl. Sci. Rev.、Nano Lett.等，申请12项发明专利。相关成果提名中国科学十大进展，入选中国芯片科学十大进展，江苏省百篇优秀学术成果论文等。曾入选博士后创新人才支持计划，南京大学毓秀青年学者计划，获小米青年学者科技创新奖，二维材料新锐青年科学家奖。

高力波，南京大学物理学院教授，博士生导师。从2007年开始就一直从事石墨烯、二维材料和二维材料异质结的相关研究，主要为发展新的材料制备方法。曾以第一、通讯作者身份，发表Nature(3篇)、Nat.Mater. Nat. Commun.等多篇论文，迄今共发表SCI收录论文60余篇，引用超过12000余次。曾入选中组部青年千人，江苏省杰青项目、江苏省攀登项目、国家杰青项目，获得国家自然科学二等奖（排名第五）、中国青年科技奖、纳米研究青年科学家奖、二维材料青年科学家奖。