在图案化的基底表面直接进行石墨烯外延生长是实现石墨烯图案化制备较为有效的方法之一。该方法通过对生长基底进行图案化预处理，使石墨烯在图案化的基底表面选择性生长，从而实现石墨烯图案的可控制备。基底的图案化可以通过光刻蚀或者掩模遮挡的方式获得，下面将对这两种方式进行举例介绍。

2009年，Kim等在图案化的薄层镍表面实现了石墨烯结构的大尺寸制备，其制备流程如图5-21所示。首先，通过光刻、刻蚀等手段在SiO2/Si基底表面制备带有特定图案的镍薄膜；然后，在氢气、甲烷环境下在基底上直接制备石墨烯，独特的外延生长机制使得石墨烯仅仅在图案化的镍表面生长；最后，通过PDMS压印[图5-21（b）]或者氢氟酸刻蚀[图5-21（c）]的方法，将镍表面的石墨烯图案转移至目标基底。图5-21（d，e）分别展示了转移至PDMS柔性基底和SiO2/Si基底的石墨烯图案。研究结果表明，基于该方法制备得到的石墨烯图案没有经过强烈的物理或者化学处理，其具有石墨烯本征性质，表现出良好的电学、光学及机械性能。该方法为石墨烯的图案化制备提供了一条较为简单而有效的途径。

图5-21　图案化镍薄膜表面制备石墨烯结果

（a～c）镍薄膜表面石墨烯的生长转移流程图；（d）PDMS转印得到的石墨烯图案；（e）转移至SiO2/Si基底的石墨烯图案

2013年，Wang等借助聚苯乙烯（PS）小球在Cu箔上实现了石墨烯纳米网格的直接制备，其制备流程图如图5-22所示。首先，利用电子束蒸镀在Cu箔表面沉积一层SiO2薄膜，并通过自组装的方式在SiO2/Cu基底上旋涂大面积均匀的单层PS纳米球[图5-22（a）]；其次，利用氧等离子体对PS纳米球进行刻蚀形成间隙[图5-22（b）]，进一步利用CF4等离子体将PS纳米球周围暴露的SiO2薄膜刻蚀掉[图5-22（c）]；然后，用甲苯将PS纳米球溶解掉，即可在Cu箔上获得周期性的SiO2掩模[图5-22（d）]；之后，以周期性SiO2掩模形成的图案化Cu箔作为基底，通过低压化学气相沉积系统生长石墨烯，该过程中石墨烯在SiO2掩模之间暴露的Cu箔表面上成核和生长[图5-22（e）]；最后，使用氢氟酸溶液去除Cu箔表面的SiO2掩模，即可获得周期性的石墨烯纳米网格[图5-22（f）]。

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图5-22　 PS纳米球/SiO2掩模剥离法制备石墨烯纳米网格流程图

图5-23展示了上述方法每个步骤对应的实验结果图。从图5-23（a）中可看到，单层紧密堆积PS纳米球的平均直径为230nm。在氧等离子体刻蚀工艺之后，PS纳米球之间形成约40nm的间隙[图5-23（b）]。进一步通过CF4等离子体刻蚀并在Cu箔上得到周期性的SiO2掩模，如图5-23（c）所示。以该图案化的Cu箔为基底，可以直接生长得到图案化的石墨烯，并将其转移到SiO2/ Si基底上。从光学显微镜图像中可以看出，在SiO2/Si上得到具有大面积和均匀的单层石墨烯纳米网格[图5-23（d）]。通过SEM图中周期性的黑色和灰色颜色对比，可以清楚地看到石墨烯纳米网格的微观形貌[图5-23（e，f）]。此外，图5-23（g）中AFM图像也很好地展示了石墨烯纳米网格的结构。上述表征结果表明，掩模-生长-剥离方法可以直接在Cu箔上制备大面积、高质量的石墨烯纳米网格图案，而且该方法的成本相对较低，为大面积有序的石墨烯纳米结构的原位制备提供了一个新的思路。然而，该方法对掩模材料的种类也提出了更高的要求，例如掩模材料需要耐高温、易去除并且不影响石墨烯的外延生长过程等。

图5-23　PS纳米球/SiO2掩模剥离法制备石墨烯纳米网格实验结果图

（a）单层紧密堆积PS纳米球的SEM图；（b）氧等离子体刻蚀工艺之后的PS纳米球；（c）Cu箔上周期性的SiO2掩模；（d）石墨烯纳米网格的光学显微镜图；（e，f）石墨烯纳米网格的SEM图；（g）石墨烯纳米网格的AFM图；（h，i）石墨烯纳米网格的低电压像差校正高分辨率TEM图