除了金属催化基底对石墨烯生长有重要影响，CVD法制备石墨烯常用的载气（如Ar、N2、H2等）也会对石墨烯产生重要的影响。Ar和N2为化学性质不活泼的气体，常被作为保护气体来调节反应气体的浓度和偏压；H2为还原性气体，而且在石墨烯生长过程起着重要作用。下面着重介绍H2对石墨烯生长过程的影响。在CH4分解成活性基团的式（2-1）中，反应式右边出现了H2，在载气中H2的偏压对控制合成石墨烯的主要C自由基非常重要，因此也将极大地影响石墨烯的生长行为。

通常情况下，在退火过程中引入H2可以去除金属表面吸附的杂质，减少基底表面的成核位点，有利于提高石墨烯的品质。在石墨烯生长过程中，H2被认为具有双重作用：① 加速碳氢前驱体的分解，产生更多的活性C基团；② H原子可以刻蚀无定形C和结合弱的C—C键，使石墨烯晶畴形成比较稳定的紧凑六边形结构。但过量的H原子也会刻蚀石墨烯，破坏石墨烯晶格的完整性。此外，H原子也会吸附在基底的活性位点上，与活性C基团竞争，减少了活性C基团化学吸附活性位点的数量，进而降低石墨烯的成核密度。因此，通过优化生长过程中CH4和H2的比例及偏压可以提高石墨烯的质量。

CVD法生长石墨烯可以看作是石墨烯生长和被H2刻蚀之间的一个相互竞争的过程，CH4和H2的比例可以调控竞争的平衡点，进而得到不同形状的石墨烯晶畴（图2-12）。当CH4和H2的比例比较小时，H2对石墨烯的刻蚀占主导地位，它使得弱结合的C—C键断裂，形成比较稳定的六边形结构。随着H2偏压的减小，C的扩散、吸附在晶核边缘逐渐占据主导地位，使得石墨烯在特定的生长方向生长较快，从而形成雪花形结构的石墨烯晶畴。

图2-12　在常压条件下，通过改变H2偏压在液态Cu表面制备出不同形状石墨烯晶畴的SEM图（流量单位为sccm[1]）(www.daowen.com)

在Cu表面制备石墨烯的过程中，H2对石墨烯薄膜的层数控制也起着关键作用。Zhang等通过总结大量在Cu上CVD法制备单层石墨烯与双层或少层石墨烯的实验工作发现：当H2偏压小于0.15Torr[2]时，制备的石墨烯几乎都为单层；当H2偏压大于0.15Torr时，制备的石墨烯几乎都为双层或少层[图2-13（a）]。通过Ab Initio计算表明，C原子结构稳定，且在石墨烯覆盖的Cu表面上扩散势垒较小，是生长双层或少层石墨烯的主要活性C基团。在较低的H2偏压下，石墨烯边缘的活性C原子与Cu基底直接相互作用，且石墨烯的边缘是弯向催化基底表面的[图2-13（b）]，此时活性C基团是很容易吸附到石墨烯边缘上的。因此，在低H2偏压下，在Cu表面上有利于生长单层石墨烯。相反，在高H2偏压下，石墨烯边缘被H原子终结，石墨烯边缘几乎平行于基底表面[图2-13（c）]，这样活性C基团就会很容易扩散进石墨烯与其覆盖的金属表面之间，并在表面活性位点成核生长形成双层或少层石墨烯。

图2-13　H2对石墨烯生长层数的影响

（a）石墨烯层数随温度和H2偏压的变化；（b，c） 在Cu（111）表面生长两种不同类型边缘石墨烯过程示意图