图案化碳源制备石墨烯是一种通过控制在基底表面的碳源形状实现石墨烯选择性生长的方法。目前，化学气相沉积法制备石墨烯的相关研究中主要以甲烷作为碳源。然而，由于其存在方式为气体状态，所以难以在基底表面特定区域选择性地控制碳源，实现石墨烯的图案化生长。相比之下，固态碳源恰好可以满足上述需求。在特定区域沉积固态碳源，再通过相应的生长手段使其重结晶，即可实现石墨烯图案的制备。

2016年，Andrey等通过对自组装单层芳香族材料（Single-layer Aromatic Material， SAM）进行电子辐射，并通过退火操作实现了石墨烯纳米图案的制备，其基本原理示意图如图5-25（a）所示。首先，在真空条件下将自组装单层的芳香族前驱体分子沉积在Cu箔上，并通过聚焦电子束或者电子流枪对选定区域进行不同剂量的电子辐射，不同曝光计量下SAM的SEM图如图5-25（b）所示。由于曝光后交联分子相比于原始SAM分子具有更高的热耐久性，因此，选择高于原始SAM分子分解温度的退火温度以裂解分子中的C—S键，即可在辐射区域中保留碳原子，而在非交联区域中碳原子的量则会大大减少。之后，通过进一步提高退火温度（＞800℃）即可将剩余的含碳交联分子转化为石墨烯并获得相应的图案。最后，可以将获得的石墨烯图案转移到诸如石英玻璃、SiO2 / Si或Si3N4/Si的绝缘基底上，而不损失它们的结构完整性。该方法巧妙地利用了交联后分子热稳定性的变化，整个过程避免了经典图案化过程中电子束抗蚀剂的烘烤和显影、刻蚀和抗蚀剂剥离等操作，具有一定应用前景。

图5-25　自组装单层方法直接制备石墨烯图案原理及结果图

（a）图案化碳源制备石墨烯原理示意图；（b）不同曝光计量下SAM的SEM图；（c）曝光基底经过300℃退火后SEM图；（d）基底在850℃退火后SEM图；（e）850℃退火后Cu箔表面的拉曼光谱图；（f）不同电子计量下石墨烯拉曼光谱2D峰与G峰、D峰与G峰强度比值的变化情况(www.daowen.com)

此外，2018年，Kilwon Cho等也报道了一种利用图案化碳源直接生长石墨烯结构的方法。他们在Cu蒸气氛围下，利用固体芳烃（1，2，3，4-四苯基萘TPN）作为碳源，通过化学气相沉积法在绝缘基底上直接获得了图案化的石墨烯，其基本制备工艺如图5-26（a）所示。首先，用乙醇和丙酮将SiO2/Si基底表面的有机污染物去除，并通过氮气枪吹干基底；之后，将TPN溶解在氯仿溶剂中，并通过旋涂的方式将TPN膜沉积在SiO2/Si基底表面上，测得TPN的膜厚度约为38nm；随后，利用硬质掩模作为模板遮挡基底，将TPN膜暴露于紫外光下10～20min，产生的O3通过硬质掩模中的开口区域直接渗透到TPN薄膜中，使暴露区域的TPN与基底发生交联，使得TPN与基底之间的相互作用力增强，从而防止了在加热过程中碳源从基底升华；与此同时，将Cu箔放在涂有TPN的SiO2/Si基底上方，在反应中提供Cu蒸气作为TPN转化为石墨烯反应的催化剂；最后，将Cu箔/基底组合放入石英管中进行退火，在退火过程中未与基底发生交联的TPN被蒸发，从而实现了石墨烯图案的选择性生长。因而，通过这种方法可以根据硬质掩模的图案，在目标基底上选择性地生长不同图案的石墨烯结构。此外，他们发现利用该方法生长的石墨烯比常规方法转移的石墨烯具有更好的机械和化学稳定性。然而，利用固态碳源制备石墨烯图案的方法对层数的控制能力较弱，难以实现单层石墨烯图案的制备。

图5-26　TPN作为碳源在绝缘基底上直接进行石墨烯图案化制备

（a）利用TPN进行石墨烯图案化制备工艺流程示意图；（b）在SiO2/Si基底表面直接制备石墨烯图案的显微镜图和石墨烯2D峰与G峰强度比值的拉曼扫描图；（c，d）图（b）中不同区域的拉曼光谱图和AFM测试图；（e）合成石墨烯在TEM网格表面的SAED图