化学催化法切割是一种通过催化氢化和催化氧化对石墨烯进行图案化的方法。该方法首先将催化剂纳米颗粒分散在石墨烯薄膜表面，随后在氢气或氧气氛围中进行高温退火。其基本原理为：在高温条件下，热激发的纳米颗粒就会沿着石墨烯或者石墨烯基底的特定方向切割出沟道。该过程主要依靠特定催化剂与石墨烯边缘间的相互作用来实现石墨烯的切割，纳米颗粒的切割方向与晶格的特定取向对齐。催化反应的第一步是催化颗粒（Fe、Co、Ni等）将氢气分子解离，随后氢原子扩散到石墨烯边缘，与碳发生反应生成甲烷，最终形成宽度与颗粒粒径相等的刻蚀沟道。

Campos等利用Ni纳米颗粒作为催化剂制备了宽度小于10nm的石墨烯纳米缝，纳米颗粒在石墨烯表面的刻蚀原理如图5-19（a）所示。他们发现，当刻蚀的纳米颗粒靠近之前已经刻蚀的沟道附近时，会在达到沟道前发生偏转，并转向以继续朝平行于该沟道的方向进行刻蚀，从而形成宽度为10nm的沟道，其刻蚀后AFM图如图5-19（b～d）所示。此外，利用该方法在石墨表面进行刻蚀也达到了相同的效果，其刻蚀原理及实验结果图如图5-19（e～h）所示。这些结果表明利用催化反应可以对石墨烯进行定向结构化，但是在目前已有的实验中催化颗粒大多数都为随机分布的，因此对于石墨烯图案化的可控制备需要对催化颗粒的沉积进行精确控制。

图5-19　纳米颗粒刻蚀单层石墨烯与石墨的实验对比

（a）Ni纳米颗粒切割单层石墨烯原理图；（b～d）Ni纳米颗粒切割单层石墨烯实验结果图；（e）Ni纳米颗粒切割石墨原理图；（f～h）Ni纳米颗粒切割石墨实验结果图(www.daowen.com)

为此，Biro等利用SiO2与碳的热还原反应实现了石墨烯图案的可控制备，该方法不需要使用催化剂就可以实现石墨烯的定向刻蚀。他们首先通过机械剥离获得石墨烯薄膜，然后将其转移到二氧化硅片上，并将基底放置在N2/O2混合气氛中加热到500℃，此时会在石墨烯薄膜表面形成环状的刻蚀凹点，如图5-20（a）中3个圆标记所示。在氩气环境下，再次对基底进行第二次热处理，刻蚀凹点的尺寸则会以一定速度增长，从而形成六边形的刻蚀图案，如图5-20（b）所示。进一步将AFM探针作为压痕工具，对石墨烯薄膜的缺陷点进行预图案化，还可以对刻蚀结构的位置进行精确控制，通过退火即可在特定位置得到石墨烯图案[图5-20（c，d）]。实验结果表明，利用该方法刻蚀得到的石墨烯图案具有严格的锯齿型边缘。因此，利用该方法可以实现晶体取向高度一致的石墨烯图案的制备。但是，该方法的实验操作难度及实验成本较高，而且图案的可控性较差，并不适合大面积石墨烯图案的制备。

图5-20　碳热反应刻蚀石墨烯AFM图

（a）石墨烯薄膜在N2/O2混合气体中氧化后的AFM图像；（b）在氩气环境下继续退火后AFM图片；（c，d）对石墨烯薄膜缺陷点进行预图案化并退火后AFM图片