資源描述：
《石墨烯的制備、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用前景.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、石墨烯的制備、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用前景摘要：石墨烯由于其特殊的結(jié)構(gòu)、性能，引起了科學(xué)家的關(guān)注。本文對其結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了簡要分析，綜合了一些常見的石墨烯制備方法，如微機械剝離法、取向附生法、化學(xué)氣相沉淀法（CVD法）等，并進(jìn)行了簡要對比分析。最后結(jié)合了當(dāng)前石墨烯與石墨烯復(fù)合材料的制備、醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用及其在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，展望了石墨烯的未來發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：石墨烯，制備方法，應(yīng)用自2004年Novoselov和Geim等發(fā)現(xiàn)石墨烯以后，近來石墨烯成為科學(xué)界研究的熱點話題[1]。石墨烯是一種由單層碳原子緊密
2、堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，每個碳原子以sp2雜化形成共價鍵的方式與另外3個碳原子相連，繼而排列成為蜂窩狀的晶格，每個碳原子上剩余的1個p軌道，垂直與晶格平面雜化形成帶(導(dǎo)帶)和帶(價帶)，控制著晶格面的導(dǎo)電現(xiàn)象，其基本機構(gòu)為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，這種特殊的二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致石墨烯展現(xiàn)出各種特殊的性能，其獨特的晶體結(jié)構(gòu)特征吸引了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注[2]。石墨烯的理論厚度僅為0.35nm，是目前發(fā)現(xiàn)最薄的二維材料。石墨烯可以包裹形成零維富勒烯，也可以卷起來形成一維的碳納米管，同樣也可以層層
3、堆疊成三維的石墨。石墨烯中的各個碳原子之間的連接十分柔韌，當(dāng)對其施加外部機械力時，碳原子面就會彎曲變形，從而碳原子不用重新排列，就保持了該材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，石墨烯因具有高的比表面積、突出的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能及其非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異的性質(zhì)。石墨烯的制備問題也就自然浮現(xiàn)，最初采用的微機械剝離制備的石墨烯，具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，為物理學(xué)研究提供了平臺。然而微機械剝離制備的石墨烯產(chǎn)量低，難于實現(xiàn)大量生產(chǎn)。為了大量制備高質(zhì)量石墨烯，科學(xué)家們開始嘗試了用各種不同的方法，企圖需找一種高效優(yōu)質(zhì)的方法
4、。目前，制備石墨烯的幾種方法包括：微機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法和CVD方法等[3]。1微機械剝離法機械剝離法，就是通過對石墨晶體施加機械力（摩擦力、拉力等）將石墨烯或石墨烯納米片層從石墨晶體中分離出來的方法。計算結(jié)果表明，在石墨晶體中相鄰兩層石墨烯之間的德華作用能約為2eVnm-2，因此石墨片層很容易在機械力的作用下剝離。用機械剝離法將普通的石墨片層減至最薄的努力可以追溯到1960年，當(dāng)時委瑞拉電鏡學(xué)家HumbertoFernández-Morán試圖尋找一種具有足夠強度的對電子束透
5、明的并且質(zhì)地均一的材料作為樣品的支持膜，他成功地從石墨晶體中剝離出了厚度為5nm（約15層石墨烯）的石墨片層。但從那以后，機械剝離法減薄石墨片層的研究幾乎停滯了。1990年以后，隨著富勒烯和碳納米管的發(fā)現(xiàn)，關(guān)于石墨烯的研究再次興起。一種簡單有效但與上述方法有所區(qū)別的機械剝離法在2004年第一次得到了報道[4]，該方法直接導(dǎo)致了石墨烯的發(fā)現(xiàn)。具體來說，就是利用離子束首先在1mm厚的高定向熱解石墨表面用氧等離子刻蝕。在表面刻蝕出寬20微米到2毫米、深5微米的微槽，并將其用光刻膠粘到玻璃襯底上，然后用透
6、明膠帶從光刻膠上反復(fù)剝離，最后用丙酮光刻膠溶解，那些留在光刻膠上的較薄的石墨烯片層也即分散在了丙酮溶液中。將SiO2/Si襯底在丙酮溶液中浸過后，再用大量的水和丙醇沖洗襯底，一部分石墨片層就留在了襯底上，然后將襯底在丙醇中超聲，最后留在襯底上的基本上都是厚度小于10nm的片層，其中就有單層的石墨烯。直到現(xiàn)在，利用微機械剝離法獲得的石墨烯的質(zhì)量仍然是最好的，被廣泛的應(yīng)用在凝聚態(tài)物理等基礎(chǔ)研究中。然而，微機械剝離法無法應(yīng)用在石墨烯的宏量制備中，為了在提高石墨烯產(chǎn)量的同時最大限度地保留石墨烯優(yōu)異性能，一
7、種新的機械剝離法逐漸得到人們的重視，主要是以機械磨為剝離的工具來大量制備高質(zhì)量的石墨烯，如臼式研磨儀和攪拌球磨[5]。2取向附生法取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡面形狀的單層的碳原子“孤島”布滿整個基質(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯，第一層覆蓋80%后，第二層開始生長[6]。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的交互作用，而第二層就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表
8、現(xiàn)令人滿意。3外延生長法利用硅的高蒸汽壓，在高溫（通常>1400℃）和超高真空（通常<10-6Pa）條件下使硅原子揮發(fā)，剩余的碳原子通過結(jié)構(gòu)重排在SiC表面形成石墨烯層。先將6H-SiC單晶表面進(jìn)行氧化或H2刻蝕預(yù)處理，在超高真空下（1.33×10-8Pa）加熱至1000℃去除表面氧化物，通過俄歇電子能譜(Augerelectronspectroscopy)確認(rèn)氧化物已完全去除后，樣品再加熱至1250-1450℃并恒溫10-20min，所制得的石墨烯片層厚度主要由這一步驟的溫度所決
