石墨烯的制備方法與應(yīng)用

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1、石墨烯的制備方法與應(yīng)用摘要:石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體,它是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元,具有很多奇異的電子及機(jī)械性能。因而吸引了化學(xué)、材料等其他領(lǐng)域科學(xué)家的高度關(guān)注。本文介紹了近幾年石墨烯的研究進(jìn)展,包括石墨烯的合成、去氧化、化學(xué)修飾及應(yīng)用前景等方面的內(nèi)容。石墨烯由于其特殊的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)以及在納米電子器件、儲(chǔ)能材料、光電材料等方面的潛在應(yīng)用,引起了科學(xué)界新一輪的熱潮。關(guān)鍵字:石墨烯,制備,應(yīng)用,氧化石墨烯，傳感器石墨烯的定義石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)

2、的一種碳質(zhì)新材料，厚度只有0.335納米,僅為頭發(fā)的20萬分之一，是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。石墨烯的結(jié)構(gòu)完美的石墨烯是二維的,它只包括六角元胞(等角六邊形)。如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他們構(gòu)成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞細(xì)胞會(huì)使石墨烯翹曲;12個(gè)五角元胞的會(huì)形成富勒烯。碳納米管也被認(rèn)為是卷成圓桶的石墨烯;可見，石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元。單原子層石墨晶體薄膜。每個(gè)原胞中兩個(gè)碳原子，每個(gè)原子與最相

3、鄰三個(gè)碳原子形成三個(gè)σ鍵。每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)多余p電子，垂直于graphene平面，形成未成鍵的π電子——良好的導(dǎo)電性。石墨烯的性能最薄——只有一個(gè)原子厚強(qiáng)度最高——美國哥倫比亞大學(xué)的專家為了測(cè)試石墨烯的強(qiáng)度，先在一塊硅晶體板上鉆出一些直徑一微米的孔，每個(gè)小孔上放置一個(gè)完好的石墨烯樣本，然后用一個(gè)帶有金剛石探頭的工具對(duì)樣本施加壓力。結(jié)果顯示，在石墨烯樣品微粒開始斷裂前，每100納米距離上可承受的最大壓力為2．9微牛左右。按這個(gè)結(jié)果測(cè)算，要使1米長的石墨烯斷裂，需要施加相當(dāng)于55牛頓的壓力，也就是說，用石墨烯制成的包裝袋應(yīng)該可以承受大約兩噸的重

4、量。沒有能隙——良好的半導(dǎo)體良好的導(dǎo)熱性熱穩(wěn)定性——優(yōu)于石墨較大的比表面積優(yōu)秀導(dǎo)電性——電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度--電子的“光速”移動(dòng)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這樣每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的π電子，這些π電子與平面成垂直的方向可形成軌道，π電子可在晶體中自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。此外，石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。說明石墨烯極有可能成為半導(dǎo)體裝置使用的最合適材料室溫下的量子霍爾效應(yīng)注：這樣的測(cè)量還需要在接近絕對(duì)零度的溫度下進(jìn)行，同時(shí)還需施加非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，但全世界僅有少數(shù)幾家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室具備這

5、樣的條件。長期來講，石墨烯傾向于能提供一個(gè)更好的標(biāo)準(zhǔn)。其它特殊性質(zhì)石墨烯具有明顯的二維電子特性。近來所觀測(cè)到的顯著的量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯電子性質(zhì)用量子力學(xué)的迪拉克方程來描述比薛定諤方程更好石墨烯的制備方法物理方法：微機(jī)械剝離法通過機(jī)械力從新鮮石墨晶體的表面剝離石墨烯片層。印章切取轉(zhuǎn)移印制法在印章突起的表面上涂上一層/轉(zhuǎn)換層0(可用樹脂類材料通過旋轉(zhuǎn)涂布法均勻涂于表面,其作用像膠水那樣黏附石墨烯),在300psi及室溫下,將這種印章按壓在石墨上,高壓下印章邊緣產(chǎn)生極大的剪應(yīng)力,使得石墨烯層從石墨上分離

6、下來。類似地,將石墨烯層從印章上轉(zhuǎn)移到器件上同樣需要/固定層0(要求這種/轉(zhuǎn)換層0與石墨烯間的作用力遠(yuǎn)大于/轉(zhuǎn)換層0與石墨烯間的作用力),經(jīng)類似的操作使得石墨烯從印章上剝落下來。印章切取轉(zhuǎn)移印制法操作簡單,但難以制備單層石墨烯,Stephen等[23]通過此方法得到的多為四層的石墨烯(厚度約為113nm)。模板法1988年京谷隆等利用模板法在蒙脫土的層間形成了石墨烯片層，一旦脫除模板，這些片層就會(huì)白組裝形成體相石墨。一些研究小組正在探索如何利用二維模板的孔隙制備可自由存在的單層石墨烯片層，但至今尚無令人滿意的結(jié)果報(bào)道。化學(xué)方法：氧化-還原法指

7、將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO),經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨),加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán),如羧基、環(huán)氧基和羥基,得到石墨烯。溶液剝離法原理是將少量的石墨分散于溶劑中,形成低濃度的分散液,利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力,此時(shí)溶劑可以插入石墨層間,進(jìn)行層層剝離,制備出石墨烯。加熱Si-C法加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經(jīng)氧氣刻蝕的樣品在高真空下通過電子轟擊，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至

8、1250-1450℃后恒溫1min-20min，從而形成極薄的石墨層,從而制備出單層或是多層石墨烯?；瘜W(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition,