石墨烯薄膜的制备方法及应用研究进展

何延如^1,2，田小让^1,2，赵冠超^1,2，代玲玲^1,2，聂革^1,2，刘敏胜^1,2

1. 新奥科技发展有限公司2. 煤基低碳能源国家重点实验室

摘 要：完美石墨烯由于具有高导电性、高透光性、高柔韧性、高阻隔性、高机械强度、高化学稳定性、超薄等特性,被誉为21世纪最具颠覆性的"新材料之王",引起全球各界的关注,并预期在电子领域、光子领域、能源领域、环保领域、生物医疗健康等领域具有广阔的发展前景。目前,欧洲、美国、日本等众多国家,都把石墨烯列为本世纪最重要的新材料进行研究和开发,并已在新能源、电子等方面取得重要进展和初步应用效果。我国也明确把石墨烯作为国家重要战略材料列入国家"十三五"规划。石墨烯分为石墨烯粉体(还原氧化石墨烯)和石墨烯薄膜两大类。目前研究较多的是石墨烯粉体,且其制备和应用方面都有了系统的研究,并取得了一定成果。对于石墨烯薄膜,研究较多的是其制备技术,虽然对石墨烯薄膜在各个领域的应用均进行了初步研究,验证了它应用于其中的可行性,并预期其在部分应用领域具有显著优势,但多数处于研究初期,还面临众多技术挑战。因为目前制备的石墨烯薄膜性能和理论性能有较大差距,所以需要研究者们一方面改进制备技术,提升石墨烯薄膜性能;另一方面结合石墨烯特性选择拥有显著优势的应用领域进行深入研究,设计能够体现石墨烯薄膜性能优势的产品器件,这样才能真正打开石墨烯薄膜的应用市场。本文首先介绍了化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的研究现状及发展趋势。目前,石墨烯薄膜晶畴尺寸多为微米级到毫米级,少数研究机构所制的石墨烯薄膜晶畴可达到厘米级;石墨烯薄膜迁移率一般可达到10 000～30 000 cm~2/(V·s),方阻小于150Ω/,透光率达到97. 7%。石墨烯薄膜发展趋势是开发可控、快速制备大面积、大晶畴、高质量原位沉积石墨烯薄膜的技术和找到可体现石墨烯薄膜优异性能的应用场景。其次在欧盟"石墨烯旗舰计划"科技路线图的框架下,根据石墨烯薄膜的诸多预期特性,结合技术先进性、未来市场规模、可行性、开发周期等方面,选定16项主要应用方向作为重点关注方向,并将其归为七大类应用:透明导电层、分离隔离膜、场效应晶体管(沟道层)、光电探测器(有源区)、导热材料、集流体涂层、催化剂载体。本文重点系统地分析了石墨烯薄膜在上述应用中预期带来的优势、现状和面临的问题,为石墨烯薄膜材料的发展提供研究基础。

关键词：石墨烯薄膜;化学气相沉积(CVD);透明导电层;场效应晶体管;分离隔离膜;