グラフェン合成には、主に「トップダウン」アプローチと「ボトムアップ」アプローチの2つの方法がある。
トップダウン法」では、グラファイトを機械的に剥離する。
ボトムアップ」アプローチでは、化学気相成長法（CVD）が中心となる。
CVDは、工業用途に適した高品質で大面積のグラフェン膜を製造できる点で特に注目されている。
グラフェンの合成法とは？5つの主要アプローチを解説
1.トップダウン・アプローチ機械的剥離
機械的剥離に代表されるトップダウン法では、バルクのグラファイトからグラフェン層を分離する。
この手法は、2004年に Geim と Novoselov によって初めて実証された。
この方法は、得られるグラフェンの品質が高いため基礎研究には有用であるが、労働集約的な性質と生成されるグラフェン薄片のサイズが小さいため、大規模生産には拡張性がない。
2.ボトムアップ・アプローチ - 化学気相成長法（CVD）
CVDは現在、高品質グラフェンを大規模に合成するための最も有望な技術である。
このプロセスでは通常、銅やニッケルなどの金属触媒表面で炭化水素ガス（メタンなど）を高温で分解する。
分解されたガスから炭素原子が金属中に拡散し、冷却過程で表面にグラフェンとして析出する。
2.1 ニッケル基板
ニッケルの場合、高温によって炭素原子がニッケル中に拡散する。
冷却すると、これらの炭素原子は表面に移動し、グラフェンを形成する。
この方法は効果的であるが、多層グラフェンが形成される可能性があり、グラフェン層の質と厚さを最適化するためには、冷却速度を正確に制御する必要がある。
2.2 銅基板
銅は単層グラフェンの形成に有利であるため、より一般的に使用されている。
銅基板を用いた CVD プロセスでは、銅表面でメタンが分解され、炭素原子が銅に溶け込み、冷却後に分離してグラフェンが形成される。
この方法は、2009年にLiらによって開拓され、グラフェン膜の大量生産のために工業化された。
3.大面積・大量生産
CVD法は、バッチ・ツー・バッチ（B2B）プロセスやロール・ツー・ロール（R2R）プロセスなどの技術によって、大面積・大量生産向けにさらに最適化されてきた。
B2B プロセスでは銅箔を積み重ねたり、圧延したりすることで生産スループットを高めます。
R2R プロセスは自動化と拡張性を高め、実質的に長さに制限のないグラフェン膜の製造を可能にする。
4.用途と市場
トップダウン法では主に、さまざまな非電子的用途に使用されるグラフェン粉末やナノ粒子が生産されるが、CVD法で成長させたグラフェンは、その優れた品質とスケールの大きさから、電子的用途により適している。
グラフェン市場は、特に粉末やナノ粒子の形で大きく成長し、今後10年間で6億ドルを超える収益が見込まれる。
5.CVD の産業的意義
要約すると、グラフェンの合成にはトップダウン法とボトムアップ法の両方があるが、CVD はそのスケーラビリティと生成されるグラフェンの品質の高さから、最も産業的意義の高い方法である。
この方法は、さまざまなハイテク用途で増大するグラフェン需要を満たすために極めて重要である。
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