【导语】当前，石墨提纯技术多元发展，天然石墨提纯方法多样却各有局限，人造特种石墨也需多道工序提升纯度。在此背(bèi)景(jǐng)下(xià)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)与(yǔ)北(běi)京(jīng)大(dà)学(xué)团(tuán)队(duì)提(tí)出(chū)“晶(jīng)格(gé)传(chuán)质(zhì)-界(jiè)面(miàn)生(shēng)长(zhǎng)”固(gù)态(tài)提(tí)纯(chún)新(xīn)法(fǎ)，制(zhì)备(bèi)出(chū)纯(chún)度(dù)极(jí)高(gāo)、性(xìng)能(néng)卓(zhuō)越(yuè)的(de)单(dān)晶(jīng)石(shí)墨(mò)，还(hái)实(shí)现(xiàn)了(le)厚(hòu)层(céng)单(dān)晶(jīng)石(shí)墨(mò)烯(xī)制(zhì)备及新范式突破，该技术潜力巨大，未来可期。

1、炭材料和石墨提纯技术现状

天然石墨提纯：天然石墨提纯方法主要有：浮选法、酸碱法、氢氟酸法、氯化焙烧法和高温提纯法。这五种方法可以分为物理提纯法（浮选法和高温提纯法）和化学提纯法（酸碱法、氢氟酸法、氯化焙烧法），也可以分为干法提纯（氯化焙烧法和高温提纯法）和湿法提纯（浮选法、酸碱法、氢氟酸法）。目前来看，各种石墨提纯的方法各有优劣。

石墨提纯方法对比表

人造特种石墨提纯：特种石墨是利用优质石油焦、沥青焦、天然石墨作为骨料，加入煤沥青作为粘结剂及其他辅料通过一系列高温石墨化处理获得的石墨材料，属于炭素新材料。由此可知，人造特种石墨提纯也是炭材料和其他辅料提纯的过程。

和天然石墨一样，人造的特种石墨也存在许多杂质元素，以主流高纯产品等静压石墨为例，其中的主要杂质为Fe、Al、Ti、V等，以氧化物形式存在，杂质总含量约为（400～600）×10^-6。因(yīn)此(cǐ)高(gāo)纯(chún)特(tè)种(zhǒng)石(shí)墨(mò)也(yě)要(yào)采用(yòng)杂(zá)质(zhì)较(jiào)少(shǎo)的(de)焦(jiāo)炭(tàn)和(hé)沥(lì)青(qīng)等(děng)为(wèi)原(yuán)料(liào)，再(zài)经(jīng)过(guò)高(gāo)温(wēn)石墨化热处理，这是高纯特种石墨生产工艺的最后一步重要工序，因此产品在生产过程中就完成了高温提纯，纯度可达99.95%。配合卤素气体提纯技术，还可以将纯度进一步提升至99.995%。

2、晶格传质(zhì)提纯技术突破石墨纯度极限

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理实验室白雪冬研究员、北京大学刘开辉教授与合作者提出了“晶格传质-界面生长”的固态提纯新方法，制备出目前已知纯度最高的单晶石墨，材料性能指标全面超越现有商用及科研级同类产品。

研究团队以镍晶格为原子级传质媒介，将待提纯的(de)碳(tàn)原(yuán)料(liào)放(fàng)置(zhì)于(yú)单(dān)晶(jīng)镍(niè)基(jī)底(dǐ)一(yī)侧(cè)，通(tōng)过(guò)精(jīng)准(zhǔn)解(jiě)析(xī)不(bù)同(tóng)元(yuán)素(sù)在(zài)镍(niè)中(zhōng)的(de)吸(xī)附(fù)、扩(kuò)散(sàn)及(jí)析(xī)出(chū)能(néng)垒，构建了具有元素选择性的原子筛提纯机制。该提纯方法如同为碳原子打造了一条“高速专用通道”，仅允许碳原子在镍晶格中定向传质，并在界面处有序外延生长，从而实现了超高纯度单晶石墨晶体的制备。

石墨的晶格传质固态提纯方法及元素纯度表征

3、石墨突破纯度极限代表着“极低的元素缺陷密度和极高的应用价值”

系统的测试表征证明(míng)，制(zhì)备(bèi)的(de)高(gāo)纯(chún)单(dān)晶(jīng)石(shí)墨(mò)材(cái)料(liào)具(jù)有(yǒu)极(jí)低(dī)的(de)元(yuán)素(sù)缺(quē)陷(xiàn)密(mì)度(dù)（<10 ppm，比(bǐ)现(xiàn)有(yǒu)最(zuì)优(yōu)石(shí)墨(mò)低(dī)一(yī)个(gè)数(shù)量(liàng)级(jí)）、极(jí)小(xiǎo)的结构缺陷密度（~0.2 ppb）、完美的Bernal堆叠纯度（99.7%）以及超大的单晶尺寸（~3×3 cm²）。

同时，该高纯单晶石墨还可解离为完美单晶石墨烯材料，通过对其进行低温输运测试，发现其具备超高的载流子迁移率（~215000 cm² V⁻¹ s⁻¹）、极低的量子转变磁场（0.3 T）以及完整的整数填充朗道能级。这些结果证明了高纯单晶石墨拥有完美的晶格结构以及极低的缺陷密度，在前沿领域应用中具有重要价值。

4、“晶格传质—界面生长”技术并非实验室里的花朵

除此之外，刘开辉教授团队还曾利用“晶格传质—界面生长”技术成功在镍箔上将单晶石墨的厚度从1微米提高到35微米，实现了10万层单晶石墨烯的制备，从另一个方向证实了“晶格传质”在制备高纯石墨材料领域的巨大潜力。团队制备出的厚层单晶石墨质量极高，包括均匀的厚度、超大的单晶尺寸、超平整的表面以及超高的热导率等。

发展“晶格传质-界面外延”生长新范式，制备晶圆级3R-TMDs单晶。

除了制备高纯石墨和厚石墨烯，刘开辉教授提出的“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，还首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相二维叠层单晶的通用制备。该材料在电学上达到国际器件与系统路线图(IRDS)的2028年半导体器件迁移率目标要求，在光学上实现近红外波段超薄高能效光学晶体频率转换。

刘开辉团队“晶格传质-界面生长”晶体制备新范式已经入选2025中关村论坛重大科技成果，相信该技术还将在更多高纯、高端材料制备领域发挥关键作用。

结语

晶(jīng)格(gé)传(chuán)质(zhì)-界(jiè)面(miàn)生(shēng)长(zhǎng)技(jì)术(shù)值(zhí)得期待。

参考文献：

[1]Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals

[2]Ultrapure Graphite from Solid Refining

[3]刘开辉科研交流办公室

[4]粉体网：2025年高纯石墨产业发展研究报告

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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