如何生产单层石墨烯？自上而下和自下而上的方法的指南

为了生产单层石墨烯，制造商采用两种主要策略：“自上而下”的方法，即从石墨中剥离层，以及“自下而上”的方法，即从含碳气体中构建原子层。最突出的方法是用于研究的机械剥离、用于散装复合材料的液相剥离以及用于大面积电子产品的化学气相沉积（CVD），后者被认为是最有希望的工业规模化技术。

用于生产石墨烯的方法不是“最好”的问题，而是“最适合特定目的”的问题。核心决定在于最终产品的质量和晶体完美度与制造过程的成本和可扩展性之间的权衡。

“自上而下”的方法：从石墨开始

这种策略涉及将石墨烯的单个层从较大的石墨块中分离出来，就像剥开一本书的纸张一样。它需要大量的机械操作，但概念上很简单。

这是最初的、获得诺贝尔奖的方法。它涉及使用粘性胶带从高度有序的石墨块上逐渐剥离出更薄的薄片，直到分离出一个原子层。

这种技术能产生已知质量最高、最纯净的石墨烯薄片。然而，该过程是手动的，产生的薄片极小（微米级），并且无法扩展到任何形式的大规模生产。它仍然是基础科学研究的黄金标准。

在 LPE 中，将块状石墨粉末混合到液体溶剂中，并进行高能处理，例如超声处理，利用声波将石墨分解成薄片。

该方法具有高度可扩展性，并且在生产大量石墨烯“墨水”或分散液方面具有成本效益。所得材料非常适合用于复合材料、导电涂层和电池，但单个薄片很小且缺陷较多，与其他方法相比，电学性能较低。

这种策略在基底表面上逐个原子地构建石墨烯片。它对最终产品的面积提供了更大的控制，并且是电子产品商业化的重点。

CVD 是生产高质量、大面积石墨烯薄膜的主要方法。该过程涉及在真空室中将金属催化剂（通常是铜（Cu）箔）加热到高温（约 1000°C）。

然后引入含碳气体，例如甲烷（CH4）。高温使气体分子分解，碳原子沉积在铜箔表面，自组装成连续的单层石墨烯。然后可以将石墨烯转移到目标基底上，如硅或柔性塑料。

该方法涉及在真空中将碳化硅晶圆加热到非常高的温度（超过 1300°C）。热量导致表面上的硅原子升华（直接变成气体），留下碳原子。

这些剩余的碳原子然后重新排列，直接在 SiC 晶圆上形成高质量的石墨烯层。虽然这能产生质量极高的电子级石墨烯，但 SiC 晶圆的高成本和高温要求使其成为一个非常昂贵的过程。

选择生产方法需要清楚地了解成本、质量和规模之间的折衷。

液相剥离是迄今为止散装生产中最便宜的方法。CVD 的设备成本适中，但可以有效扩展。由于基底晶圆的成本，SiC 上的外延生长是最昂贵的。

机械剥离和 SiC 生长生产出质量最高的石墨烯，原子缺陷最少，因此非常适合高性能电子产品和研究。CVD 石墨烯质量也很高，但通常是多晶的（由许多缝合在一起的小晶体域组成），这可能会稍微限制其最终的电子性能。LPE 产生的薄片质量最低，缺陷最多。

CVD 是大面积连续薄膜可扩展性的冠军，已经展示了卷对卷生产米级薄膜。LPE 是散装产量可扩展性的冠军，可生产数公斤的石墨烯分散液。机械剥离在根本上是不可扩展的。

您的目标决定了正确的生产方法。

最终，石墨烯的生产是一个已解决的问题；现在的挑战在于将正确类型的石墨烯与正确的应用相匹配。