石墨烯的制備方法

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1、一．綜述隨著社會的發(fā)展，人們對材料的要求越來越高，碳元素在地球上分布廣泛,其獨(dú)特的物理性質(zhì)和多種多樣的形態(tài)己逐漸被人類發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識并利用。1924年確定了石墨和金剛石的結(jié)構(gòu);1985年發(fā)現(xiàn)了富勒烯；1991年發(fā)現(xiàn)了碳納米管；2004年,曼徹斯特大學(xué)Geim等成功制備的石墨烯是繼碳納米管被發(fā)現(xiàn)后富勒烯家族中又一納米級功能性材料，它的發(fā)現(xiàn)使碳材料領(lǐng)域更為充實(shí),形成了從零維、一維、二維到三維的富勒烯、碳納米管、石墨烯以及金剛石和石墨的完整系統(tǒng)。而2004年至今,關(guān)于氧化石墨烯和石墨烯的研究報(bào)道如雨后春筍般涌現(xiàn)，其已成為物理、化學(xué)、材料學(xué)領(lǐng)域的國際熱點(diǎn)課

2、題。制備石墨烯的方法有很多種，如外延生長法，氧化石墨還原法，CVD法，剝離-再嵌入-擴(kuò)漲法以及有機(jī)合成法等。在本文中主要介紹氧化石墨還原法。除此之外，還對其的一些性能進(jìn)行表征。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。2004年，石墨烯被成功地從石墨中分離出來。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料?，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比碳納米管或硅晶體遷移

3、率高，而電阻率只約10-6?Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子傳輸?shù)乃俣葮O快，因此被期待為可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或電晶體的材料。由于石墨烯的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間沒有能隙，做成晶體管器件時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性，而且若要運(yùn)用于現(xiàn)在普遍使用的邏輯電路，其金屬性也是一個(gè)巨大的難題。如何在石墨烯中引入能隙，成為了石墨烯晶體管器件制造的關(guān)鍵。本文主要關(guān)注的石墨烯納米帶場效應(yīng)管，通過對肖特基勢壘石墨烯納米帶場效應(yīng)管和金屬氧化物半導(dǎo)體石墨烯納米帶場效應(yīng)管這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比和分析來了解其主要特性。二．石墨

4、烯材料簡介與制備方法2.1石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和特征石墨烯是指碳原子之間呈六角環(huán)形排列的一種片狀體,由一層碳原子構(gòu)成,可在二維空間無限延伸,可以說是嚴(yán)格意義上的二維結(jié)構(gòu)材料,同時(shí),它被認(rèn)為是宇宙上最薄的材料,也被認(rèn)為是有史以來見過的最結(jié)實(shí)的材料。ZD結(jié)構(gòu)的石墨烯具有優(yōu)異的電子特性,且導(dǎo)電性依賴于片層的形狀和片層數(shù),據(jù)悉石墨烯是目前已知的導(dǎo)電性能最出色的材料,可運(yùn)用于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料,這也使其在微電子領(lǐng)域、半導(dǎo)體材料、晶體管和電池等方面極具應(yīng)用潛力。有專家指出,如果用石墨烯制造微型晶體管將能夠大幅度提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,其傳輸電流的速度比電腦芯片里

5、的硅元素快100倍。近日,某科技日報(bào)稱,mM的研究人員展示了由石墨烯材料制作而成的場效應(yīng)晶體管(FET),經(jīng)測試,其截止頻率可達(dá)100吉赫茲(GHz),這是迄今為止運(yùn)行速度最快的射頻石墨烯晶體管。石墨烯的導(dǎo)熱性能也很突出,且優(yōu)于碳納米管。石墨烯的表面積很大,McAlliste:等通過理論計(jì)算得出石墨烯單片層的表面積為2630擴(kuò)/g,這個(gè)數(shù)據(jù)是活性炭的2倍多,可用于水凈化系統(tǒng)。2.2氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)和特征氧化石墨烯是石墨烯的一種重要的派生物,也被稱為功能化的石墨烯它的結(jié)構(gòu)與石墨烯大體相同,只是在二維基面上連有一些官能團(tuán)。通過表面元素分析(XpS)

6、、紅外光譜(FTIR)、固體核磁共振譜困MR)等表征結(jié)果顯示,主要是一些含氧官能團(tuán),如輕基、環(huán)氧官能團(tuán)、撥基、梭基等,其中經(jīng)基和環(huán)氧官能團(tuán)主要位于石墨的基面上,而撥基和梭基則處在石墨烯的邊緣處,這使其不需要表面活性劑就能在水中很好的分散。1.2片層氧化石墨烯的示意圖2.3石墨烯的制備方法(1)物理法制備石墨烯物理方法通常是以廉價(jià)的石墨或膨脹石墨為原料，通過機(jī)械剝離法、取向附生法、液相或氣相直接剝離法來制備單層或多層石墨烯。這些方法原料易得,操作相對簡單，合成的石墨烯的純度高、缺陷較少。①　機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法或微機(jī)械剝離法是最簡單的一種方法，即

7、直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剝離下來。Novoselovt等于2004年用一種極為簡單的微機(jī)械剝離法成功地從高定向熱解石墨上剝離并觀測到單層石墨烯，驗(yàn)證了單層石墨烯的獨(dú)立存在。具體工藝如下：首先利用氧等離子在1mm厚的高定向熱解石墨表面進(jìn)行離子刻蝕，當(dāng)在表面刻蝕出寬20μm—2mm、深5μm的微槽后，用光刻膠將其粘到玻璃襯底上，再用透明膠帶反復(fù)撕揭，然后將多余的高定向熱解石墨去除并將粘有微片的玻璃襯底放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲，最后將單晶硅片放入丙酮溶劑中，利用范德華力或毛細(xì)管力將單層石墨烯“撈出”?！　　〉沁@種方法存在一些缺點(diǎn)，如所獲得的產(chǎn)物

8、尺寸不易控制，無法可靠地制備出長度足夠的石墨烯，因此不能滿足工業(yè)化需求。②　取向附生法—晶膜生長PeterW.Sutter等使用稀有金屬釕作為生長基質(zhì)