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1、炭材料和石墨提純技術(shù)現(xiàn)狀
天然石墨提純：天然石墨提純方法主要有：浮選法、酸堿法、氫氟酸法、氯化焙燒法和高溫提純法。這五種方法可以分為物理提純法（浮選法和高溫提純法）和化學提純法（酸堿法、氫氟酸法、氯化焙燒法），也可以分為干法提純（氯化焙燒法和高溫提純法）和濕法提純（浮選法、酸堿法、氫氟酸法）。目前來看，各種石墨提純的方法各有優(yōu)劣。
石墨提純方法對比表
人造特種石墨提純：特種石墨是利用優(yōu)質(zhì)石油焦、瀝青焦、天然石墨作為骨料，加入煤瀝青作為粘結(jié)劑及其他輔料通過一系列高溫石墨化處理獲得的石墨材料，屬于炭素新材料。由此可知，人造特種石墨提純也是炭材料和其他輔料提純的過程。
和天然石墨一樣，人造的特種石墨也存在許多雜質(zhì)元素，以主流高純產(chǎn)品等靜壓石墨為例，其中的主要雜質(zhì)為Fe、Al、Ti、V等，以氧化物形式存在，雜質(zhì)總含量約為（400～600）×10-6。因此高純特種石墨也要采用雜質(zhì)較少的焦炭和瀝青等為原料，再經(jīng)過高溫石墨化熱處理，這是高純特種石墨生產(chǎn)工藝的最后一步重要工序，因此產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中就完成了高溫提純，純度可達99.95%。配合鹵素氣體提純技術(shù)，還可以將純度進一步提升至99.995%。
2、晶格傳質(zhì)提純技術(shù)突破石墨純度極限
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理實驗室白雪冬研究員、北京大學劉開輝教授與合作者提出了“晶格傳質(zhì)-界面生長”的固態(tài)提純新方法，制備出目前已知純度最高的單晶石墨，材料性能指標全面超越現(xiàn)有商用及科研級同類產(chǎn)品。
研究團隊以鎳晶格為原子級傳質(zhì)媒介，將待提純的碳原料放置于單晶鎳基底一側(cè)，通過精準解析不同元素在鎳中的吸附、擴散及析出能壘，構(gòu)建了具有元素選擇性的原子篩提純機制。該提純方法如同為碳原子打造了一條“高速專用通道”，僅允許碳原子在鎳晶格中定向傳質(zhì)，并在界面處有序外延生長，從而實現(xiàn)了超高純度單晶石墨晶體的制備。
石墨的晶格傳質(zhì)固態(tài)提純方法及元素純度表征
3、石墨突破純度極限代表著“極低的元素缺陷密度和極高的應用價值”
系統(tǒng)的測試表征證明，制備的高純單晶石墨材料具有極低的元素缺陷密度（<10 ppm，比現(xiàn)有最優(yōu)石墨低一個數(shù)量級）、極小的結(jié)構(gòu)缺陷密度（~0.2 ppb）、完美的Bernal堆疊純度（99.7%）以及超大的單晶尺寸（~3×3 cm2）。
同時，該高純單晶石墨還可解離為完美單晶石墨烯材料，通過對其進行低溫輸運測試，發(fā)現(xiàn)其具備超高的載流子遷移率（~215000 cm² V⁻¹ s⁻¹）、極低的量子轉(zhuǎn)變磁場（0.3 T）以及完整的整數(shù)填充朗道能級。這些結(jié)果證明了高純單晶石墨擁有完美的晶格結(jié)構(gòu)以及極低的缺陷密度，在前沿領(lǐng)域應用中具有重要價值。
4、“晶格傳質(zhì)—界面生長”技術(shù)并非實驗室里的花朵
除此之外，劉開輝教授團隊還曾利用“晶格傳質(zhì)—界面生長”技術(shù)成功在鎳箔上將單晶石墨的厚度從1微米提高到35微米，實現(xiàn)了10萬層單晶石墨烯的制備，從另一個方向證實了“晶格傳質(zhì)”在制備高純石墨材料領(lǐng)域的巨大潛力。團隊制備出的厚層單晶石墨質(zhì)量極高，包括均勻的厚度、超大的單晶尺寸、超平整的表面以及超高的熱導率等。
發(fā)展“晶格傳質(zhì)-界面外延”生長新范式，制備晶圓級3R-TMDs單晶。
除了制備高純石墨和厚石墨烯，劉開輝教授提出的“晶格傳質(zhì)-界面外延”材料制備新范式，還首次實現(xiàn)了層數(shù)及堆垛結(jié)構(gòu)可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備。該材料在電學上達到國際器件與系統(tǒng)路線圖(IRDS)的2028年半導體器件遷移率目標要求，在光學上實現(xiàn)近紅外波段超薄高能效光學晶體頻率轉(zhuǎn)換。
劉開輝團隊“晶格傳質(zhì)-界面生長”晶體制備新范式已經(jīng)入選2025中關(guān)村論壇重大科技成果，相信該技術(shù)還將在更多高純、高端材料制備領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
結(jié)語
晶格傳質(zhì)-界面生長技術(shù)值得期待。
參考文獻：
[1]Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals
[2]Ultrapure Graphite from Solid Refining
[3]劉開輝科研交流辦公室
[4]粉體網(wǎng)：2025年高純石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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