北京大学/北京石墨烯研究院 JACS：焦耳热化学气相沉积策略制备厚层乱层堆垛石墨烯

研究背景

化学气相沉积（CVD）是制备石墨烯的主流方法，但其通常依赖于金属催化衬底，后续转移过程会引入缺陷、污染并限制规模化应用。为克服这一瓶颈，无转移CVD策略——直接在目标非催化非金属衬底上生长石墨烯——成为研究热点。然而，这类衬底缺乏催化活性，往往导致石墨烯生长质量不佳、层间堆叠难以控制，且在制备厚层石墨烯时问题尤为突出。厚层石墨烯在机械强度、承载高电流与热通量方面优势显著，但其性能高度依赖于层间构型的精准调控：必须避免其因紧密堆叠而丧失单层石墨烯特有的高载流子迁移率等性能。 “乱层堆垛”结构通过层间旋转有效抑制层间耦合，可以保留石墨烯的单层特性。但该结构处于亚稳态，在传统CVD的长时间高温过程中极易转变为稳定的AB堆垛（如石墨结构）。与此同时，生长缺陷还会诱发层间倾斜，进一步扰乱结构。这两大难题，共同限制了高性能厚层石墨烯的应用。

文章概述

北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士、亓月研究员等在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Scalable, Universal In Situ Self-Heating Chemical Vapor Deposition Strategy for High-Quality Thick Turbostratic Graphene via Combined Twist–Tilt Configuration Engineering”的研究论文。本研究报道了一种基于焦耳热加热的化学气相沉积（CVD）新策略，通过在生长体系中直接施加电流产生瞬时焦耳热，驱动石墨烯在非催化衬底上实现高速生长。该策略的创新性在于，能够对厚层石墨烯的层间构型——包括沿z轴的扭转构型与沿x/y轴的倾斜构型——进行同步、协同的精准调控。具体而言，该方法采用极短的快速热循环（升/降温仅需约2秒），通过动力学控制稳定了亚稳态的乱层堆垛结构，有效抑制其向热力学稳定的AB堆垛转变；同时，焦耳热产生的局部高温一方面抑制了气相副反应，另一方面通过“电学热点”效应促进了对缺陷的选择性修复，从而显著降低石墨烯片层的倾斜程度，实现层内高度有序排列。在上述调控下，该方法在高达>100层/小时的生长速率下，仍能获得缺陷密度低于10¹⁰ cm^-2的厚层乱层堆垛石墨烯，展现出良好的可扩展性与工艺普适性。进一步的生命周期评估与技术经济分析表明，该策略兼具显著的环保优势与经济效益。

图文导读

图1.焦耳热CVD系统的设计与热学特性

图2. 焦耳热CVD策略制备乱层堆垛石墨烯

图3. 焦耳热CVD策略实现石墨烯的高质量快速制备

图4.焦耳热CVD策略下石墨烯的生长机理研究

图5.焦耳热CVD策略的普适性、可扩展性及其经济与环境效益分析

结论

总之，本研究提出的焦耳热CVD策略，通过电流诱导的局部焦耳热，实现了对石墨烯生长过程中动力学与热力学行为的精准调控。该方法利用快速热循环（约2秒）从动力学上稳定了乱层堆垛结构，抑制了其向热力学稳定的AB堆垛转变；同时，局部加热环境与电学“热点”效应协同抑制了气相副反应与非晶碳形成，并促进缺陷选择性修复，从而有效降低了石墨烯片层的倾斜度，实现了高度一致的面内排列。基于此，本研究成功制备出兼具高质量（缺陷密度低）、高乱层堆垛比例（与层数无关）及优异电热性能的厚层石墨烯。该策略同时展现出良好的可扩展性、普适性，以及显著的环境与经济效益。本研究为将石墨烯的原子级优异性能向宏观实用材料的跨越，提供了一条高效、可控且可持续的制备路径。未来，该策略可进一步拓展至其他二维材料或复杂三维结构的可控生长，并有望在柔性电子、高效热管理、电磁屏蔽等领域发挥重要应用潜力。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c14727