生产石墨烯的主要方法大致分为从石墨中“自上而下”剥离和“自下而上”合成。自上而下的方法包括机械剥离、液相剥离 (LPE) 和氧化石墨烯 (GO) 的化学还原。主要的自下而上方法是化学气相沉积 (CVD)，它在基底上逐个原子地构建石墨烯。
“最佳”的石墨烯生产方法并非凭空存在。最佳选择始终是所需质量、所需数量和特定应用可接受成本之间的权衡。
“自上而下”的方法：从石墨开始
自上而下的方法从块状石墨开始，并将其分离成单层或几层石墨烯薄片。这些技术在概念上很简单，但在可扩展性和最终产品的质量方面差异很大。
机械剥离（“透明胶带”法）
这是首次分离石墨烯所使用的原始技术。它涉及使用胶带从一块高度有序的石墨上反复剥离层，直到获得单原子层薄片。
虽然它可以生产出具有卓越电子性能的原始、无缺陷的石墨烯薄片，但该工艺的产率极低。它不适用于工业生产，几乎只用于基础研究。
液相剥离 (LPE)
LPE 是一种更具可扩展性的自上而下方法。石墨粉分散在溶剂中，然后经过超声处理或高剪切混合等高能过程。这些力克服了将石墨层结合在一起的范德华力，导致它们剥离成悬浮在液体中的石墨烯薄片。
该方法非常适用于大规模生产石墨烯分散体，这些分散体用于复合材料、涂料和油墨。然而，所得薄片通常是多层的，并且与其他方法相比，电学质量可能较低。
化学剥离（氧化石墨烯的还原）
这是另一种高度可扩展的化学路线。块状石墨首先被强氧化形成氧化石墨，氧化石墨很容易在水中剥离生成氧化石墨烯 (GO)。然后使用化学或热处理“还原”GO，以去除氧官能团，从而得到还原氧化石墨烯 (rGO)。
与 LPE 一样，该工艺非常适合批量生产。然而，严苛的化学氧化和随后的还原过程会在石墨烯晶格中引入结构缺陷，这会显著损害其导电性。
“自下而上”的方法：逐个原子构建石墨烯
自下而上的方法是在基底上由含碳前体分子构建石墨烯。这可以更好地控制最终薄膜的结构和均匀性。
化学气相沉积 (CVD)
CVD 是生产高质量、大面积石墨烯薄膜的最主要技术。在该过程中，将含碳气体（如甲烷）引入含有金属催化剂基底（通常是铜或镍）的高温炉中。气体分解，碳原子在金属表面排列成六方石墨烯晶格。
然后可以将所得薄膜转移到目标基底（如硅或塑料）上，这使得 CVD 成为电子产品和透明导电薄膜应用的主要方法。
碳化硅 (SiC) 上的外延生长
该方法涉及在真空中将碳化硅晶圆加热到非常高的温度（高于 1,100 °C）。硅原子从表面升华，留下碳原子，然后碳原子在 SiC 基底上重新排列成石墨烯层。
这无需转移步骤即可生产出高质量的石墨烯。然而，SiC 晶圆极高的成本限制了其在专业、高性能电子应用中的使用。
了解权衡：质量与可扩展性
没有单一的石墨烯生产方法在所有方面都优越。选择是基于您的主要目标而进行的深思熟虑的折衷。
质量谱
石墨烯的质量，通过晶体尺寸、缺陷密度和导电性等因素衡量，差异显著。机械剥离和 SiC 上的外延生长生产出最高质量的材料。CVD 紧随其后，而 LPE 和 rGO 生产的石墨烯具有更多缺陷和较低的电学性能。
可扩展性挑战
对于需要大量（吨）或大面积（平方米）的应用，可扩展性至关重要。LPE 和 rGO 在批量生产粉末和分散体方面最具可扩展性。CVD 在生产大面积薄膜方面最具可扩展性。机械剥离从根本上来说是不可扩展的。
成本因素
成本往往是决定性因素。SiC 晶圆的高成本使得外延生长对于大多数用途来说过于昂贵。LPE 和 rGO 等批量方法的成本相对较低。CVD 代表了一个中间地带，其成本因电子产品所需的高质量和大面积而合理。
为您的目标做出正确选择
要选择正确的方法，您必须首先确定您的优先事项。
- 如果您的主要重点是原始性能的基础研究：机械剥离是生产小尺寸、超高质量薄片的黄金标准。
- 如果您的主要重点是大规模复合材料、油墨或导电添加剂：液相剥离或还原氧化石墨烯在批量生产和低成本之间提供了最佳平衡。
- 如果您的主要重点是高性能电子产品或透明薄膜：化学气相沉积是生长大面积、高质量石墨烯薄膜最实用的方法。
- 如果您的主要重点是无需转移步骤的最终电子质量（且成本不是主要障碍）：碳化硅上的外延生长是更优越的选择。
通过将生产方法与您的最终目标对齐，您可以有效地利用石墨烯的独特性能来满足您的特定应用。
总结表：
| 方法 | 最适合 | 主要优点 | 主要缺点 |
|---|---|---|---|
| 机械剥离 | 基础研究 | 原始、高质量薄片 | 产率极低，不可扩展 |
| 液相剥离 (LPE) | 复合材料、油墨、涂料 | 分散体的大规模生产 | 电学质量较低 |
| 化学剥离 (rGO) | 批量生产、导电添加剂 | 高度可扩展，成本低 | 结构缺陷 |
| 化学气相沉积 (CVD) | 电子产品、透明薄膜 | 高质量、大面积薄膜 | 需要转移过程 |
| 外延生长 (SiC) | 高性能电子产品 | 卓越质量，无需转移 | 成本极高 |
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