石墨烯的特性、制備及應(yīng)用

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1、石墨烯的特性、制備及應(yīng)用目錄1、簡(jiǎn)介2、特性3、制備方法4、應(yīng)用前景1、簡(jiǎn)介2010年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家——安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯俊?、簡(jiǎn)介2004年，兩位科學(xué)家通過使用膠帶反復(fù)剝離石墨的方法在絕緣基底上獲得了單層或少層的石墨烯并研究其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其具有特殊的電子特性以及優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，從而掀起了石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。1、簡(jiǎn)介石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體

2、，其厚度為0.335nm，碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中。電子顯微鏡下觀測(cè)的石墨烯片，其碳原子間距僅0.142納米?！岸S結(jié)構(gòu)”從想象到現(xiàn)實(shí)1、簡(jiǎn)介石墨烯可看作是其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本構(gòu)建模塊，它可以被包成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或堆疊成三維的石墨。2、特性“最強(qiáng)性能”有許多最薄最輕載流子遷移率最高電阻率最低強(qiáng)度最大最堅(jiān)硬導(dǎo)熱率最高厚0.335nm，比表面積為2630m2/g室溫下為20萬(wàn)cm2/Vs（硅的100倍）約為10-6Ω?cm（比銅和銀更低）破壞強(qiáng)度：42N/m（結(jié)構(gòu)鋼的200倍）3000~5000W/mK

3、（硅的50倍）2、特性單層石墨烯的價(jià)帶與導(dǎo)帶相交于布里淵區(qū)的六個(gè)頂點(diǎn)，這些頂點(diǎn)就是狄拉克點(diǎn)。由此，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯是一種特殊能帶結(jié)構(gòu)的零帶隙半導(dǎo)體材料。低電阻率高遷移率高遷移速度半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)2.1電學(xué)特性石墨烯三維能帶結(jié)構(gòu)圖2.2力學(xué)特性2008年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)家韋小丁和李昌鈷研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是至今測(cè)量過的強(qiáng)度最大的材料，比結(jié)構(gòu)剛的強(qiáng)度要高200倍。2013年，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)即使是存在缺陷的石墨烯仍然是目前已知的強(qiáng)度最高的材料。完全由縫合晶界組成的石墨烯薄膜能保持超高強(qiáng)度，這是石墨烯在柔性電子和加強(qiáng)件等領(lǐng)域大量應(yīng)用

4、的關(guān)鍵。2、特性2.3熱學(xué)特性(1)石墨烯的導(dǎo)熱率高達(dá)5300W·m-1·K-1，是銅的2倍和硅的50倍；(2)單層石墨烯的導(dǎo)熱率與片層寬帶、缺陷密度和邊緣粗糙度密切相關(guān)；(3)石墨稀片層沿平面方向?qū)峋哂懈飨虍愋缘奶攸c(diǎn)；(4)在室溫以上，導(dǎo)熱率隨著溫度的增加而逐漸減小。2、特性2.4光學(xué)特性2008年，Nair等人發(fā)現(xiàn)石墨烯在近紅外和可見光波段具有極佳的光透射性。他們將懸浮的石墨烯薄膜覆蓋在幾十個(gè)μm量級(jí)的孔洞上，發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的透光率可達(dá)97.7%，而且透光率隨著層數(shù)的增加呈線性減少的趨勢(shì)。不同層數(shù)石墨烯的透射光譜2、特性3、制備

5、方法機(jī)械剝離法化學(xué)氣相沉積法SiC熱分解法氧化石墨烯還原法石墨烯制備方法3、制備方法3.1機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法，是一種反復(fù)在石墨上粘貼并揭下粘合膠帶來(lái)制備石墨烯的方法，缺點(diǎn)是很難控制所獲得的石墨烯片的大小及層數(shù)。而且只能勉強(qiáng)獲得數(shù)mm見方的石墨烯片。其優(yōu)點(diǎn)是，可以獲得采用其他方法時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極高品質(zhì)石墨烯片。還有人指出，“正是因?yàn)闄C(jī)械剝離法的出現(xiàn)才使石墨烯的分離研究在短時(shí)間內(nèi)取得了進(jìn)展”。3、制備方法3.2化學(xué)氣相沉積法另外，制造大面積石墨烯膜也已成為可能。采用的方法是化學(xué)氣相沉積法。這是在真空容器中將甲烷等碳源加熱至1000℃左右使

6、其分解，然后在Ni及Cu等金屬箔上形成石墨烯膜的技術(shù)。2010年6月韓國(guó)成均館大學(xué)與三星電子等宣布，開發(fā)出了可制備30英寸單層石墨烯膜的制造工藝以及采用這種石墨烯膜的觸摸面板，這一消息讓石墨烯研究人員及技術(shù)人員感到十分吃驚。不過，在1000℃高溫下采用的工藝只能以分批處理的方式推進(jìn)，這是該制造工藝的瓶頸。而且這種工藝還存在反復(fù)轉(zhuǎn)印的過程中容易混入缺陷及雜質(zhì)的問題。3、制備方法3.3SiC熱分解法SiC基板的熱分解法是，將SiC基板加熱至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自發(fā)性重新組合形成石墨烯片的工藝。IBM公司2010年1月將

7、原來(lái)的機(jī)械剝離法改為這種方法制作了石墨烯FET。其優(yōu)點(diǎn)是“不會(huì)受原來(lái)SiC基板上存在的若干凹凸的影響，可像從上面鋪設(shè)地毯一樣形成石墨烯片”。而其存在的課題是，需要非常高的處理溫度，石墨烯片的尺寸不易達(dá)到數(shù)μm見方以上，而且很難轉(zhuǎn)印至其他基板，只能使用昂貴的SiC基板。3、制備方法3.4氧化石墨烯還原法第4種制作工藝是三菱氣體化學(xué)2000年開發(fā)的氧化石墨烯法。這種方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液內(nèi)溶化，在基板上涂上薄薄的一層后再使其還原。目前，這種方法用于制作大面積透明導(dǎo)電膜以及采用涂布工藝制作的TFT。盡管該工藝的溫度較低而且方法簡(jiǎn)

8、單，但由于采用折疊多個(gè)數(shù)十nm見方斷片的構(gòu)造，而且不能完全還原，因此存在的課題是很難確保充分的導(dǎo)電性及透明性。3、制備方法石墨烯產(chǎn)品最終能否搶占硅材料產(chǎn)品地位，取決于其能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)量產(chǎn)化進(jìn)一步改進(jìn)CVD法或開