石墨烯的研究發(fā)展

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1、石墨烯的研究發(fā)展摘要:石墨烯是碳的又一同索異形體，具冇獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能，成為富勒烯和碳納米管之后的又一研究熱點(diǎn)。全面綜述了近兒年來(lái)石墨烯的制備方法，詳細(xì)討論了微機(jī)械剝離法、化學(xué)剝離法、化學(xué)合成法、外延生長(zhǎng)法、電弧法、化學(xué)氣相沉積法的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)制備方法存在的產(chǎn)量低、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、高污染等問(wèn)題，提出了一些大規(guī)模可控制備高質(zhì)量石墨烯的建議。還結(jié)合石墨烯的結(jié)構(gòu)和特性，概括了石墨烯在復(fù)合材料、微電子、光學(xué)、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，并展望了其主要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)關(guān)鍵詞：石墨烯、制備方法、

2、運(yùn)用。一、發(fā)展進(jìn)程：石墨烯(Graphene)是一種由碳原了以sp2朵化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只冇一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維右墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2013年4月，中科院蘇州納米所程國(guó)勝團(tuán)隊(duì)與中科院遺傳與發(fā)育研究所戴建武團(tuán)隊(duì)合作，成功開發(fā)擊新型石墨烯三維神經(jīng)支架材料，并系

3、統(tǒng)研究了石墨烯支架與神經(jīng)干細(xì)胞的相互作用。相關(guān)研究日前發(fā)表于《自然》子刊《科學(xué)報(bào)告》。據(jù)介紹，石墨烯為單層或少層碳原子組成的低維碳納米材料，具冇優(yōu)異的理化性質(zhì)，￡

4、2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已迅速成為材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研究對(duì)象。同時(shí)，石墨烯能夠表現(xiàn)出良好的生物相容性，已被用于細(xì)胞成像、藥物輸運(yùn)、干細(xì)胞工程及腫瘤治療等領(lǐng)域。二、石墨烯的制備：(1)微機(jī)械分離法這類方法是通過(guò)機(jī)械力從石墨晶體的表面剝離出石墨烯片層。Novoselov即是采用這種辦法來(lái)制備石墨烯，這種方法產(chǎn)生的石墨烯晶體結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷較少，可用于實(shí)驗(yàn)

5、。然而這種方法的致命弱點(diǎn)是無(wú)法控制單層石墨烯的尺寸大小,無(wú)法應(yīng)用于實(shí)踐。"刃(2)氧化石墨還原法與石墨相比，氧化石墨由于擁有大量的輕基、竣基等基團(tuán)，親水性較好。氧化石墨經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某暡ㄕ鹗幪幚?，極易在水溶液或者冇機(jī)溶劑中分散成均勻的單層氧化石墨懸濁液。將氧化石墨與水以lmg/mL的比例混合，用超聲波農(nóng)蕩至溶液清晰無(wú)顆粒狀物質(zhì),加入適量臍在100°C冋流24h,會(huì)產(chǎn)生懸浮的石墨烯片，這些右墨烯片可以沉淀在可彎曲的襯底頂部。這種方法可以大量生產(chǎn)石墨烯，然而被氧化的石墨難以被完全還原，將導(dǎo)致石墨烯某些性質(zhì)(如導(dǎo)電性)的不足。[

6、1,2.3](2)加熱SiC法通過(guò)加熱單品6H-SiC脫除Si,從而得到在SiC表而外延的石墨烯。將表而經(jīng)過(guò)氧化或112蝕刻后的SiC在高真空下通過(guò)電了轟擊加熱到1000°C以除掉表面的氧化物，升溫至1250°C?1450°C，恒溫1?20min,形成石墨烯薄片，其厚度由加熱溫度決定。這種方法得到的石墨烯有兩種，物理性質(zhì)受SiC襯底的影響很大，一種是生長(zhǎng)在Si層上的石墨烯，由于和Si層接觸，這種石墨烯的導(dǎo)電性受到較大彩響，而生長(zhǎng)在C層上的右墨烯則冇著極為優(yōu)良的導(dǎo)電能力。但這種方法制造的石墨烯難以被從SiC襯底上分離出來(lái)，

7、不能成為大量制造石墨烯的方法。[2.4](3)化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法是半導(dǎo)體工業(yè)中最為常用的沉積技術(shù)。其原理是將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)腔里進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成一種新的物質(zhì)沉積在襯底表而。中科院化學(xué)研究所發(fā)明了一種方法。將帶有催化劑的襯底放入無(wú)氧反應(yīng)器中，使襯底溫度達(dá)到500?1200°C，向所屬反應(yīng)容器充入含碳物質(zhì)，得到石墨烯。催化劑為金屬或金屬化合物?？蔀榻?、銀、銅、鋅、鐵、鉆、銀、硫化鋅、氧化鋅、硝酸鐵、氯化鐵、氯化銅中的一種或任意組合。含碳物質(zhì)可為一氧化碳、甲烷、乙烘、乙醇、苯、卬苯、環(huán)己烷或猷菁屮的

8、一種或任意組合。⑺韓國(guó)成均館大學(xué)的洪秉熙領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組生產(chǎn)出了高純度石墨烯薄膜，把它們貼在透明可彎曲的聚合物上，制成一個(gè)透明電極。這種電極可以取代顯示器上現(xiàn)在所使用的透明電極，價(jià)格卻比現(xiàn)在通常用的氧化鋼便宜的多。首先，他們?cè)诠枰r底上添加一層300納米厚的銀。然后，他們?cè)?000攝氏度的甲烷中加熱這一物質(zhì)，再將它迅速降至室內(nèi)溫度。這一過(guò)程能夠在鎳層的上部沉積出6或10層石墨烯。用制作鎳層圖形的方式，制備出圖形化的石墨烯薄膜。⑻Srivastava等采用微波增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，在Ni包裹的Si襯底上生長(zhǎng)岀了20nni左右厚

9、度的花瓣?duì)畹氖灿幸恍┢渌目茖W(xué)家利用類似方法制造出了石墨烯?；瘜W(xué)氣相沉積法是應(yīng)用最廣泛的一種大規(guī)模工業(yè)化制備半導(dǎo)體薄膜材料的方法。由于有著廣泛應(yīng)用范圍，而且，生產(chǎn)工藝十分完善，因此，它被認(rèn)為是最有前途的大規(guī)模制備石墨烯片的方法。但口前使用該方法制備石墨烯片仍有一些不足之處亟待解決。例如，研究表明，目前使用這種