石墨烯的研究发展

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石墨烯的研究发展摘要:石墨烯是碳的又一同索异形体，具冇独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。全面综述了近儿年来石墨烯的制备方法，详细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势关键词：石墨烯、制备方法、运用。一、发展进程：石墨烯(Graphene)是一种由碳原了以sp2朵化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只冇一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维右墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。2013年4月，中科院苏州纳米所程国胜团队与中科院遗传与发育研究所戴建武团队合作，成功开发击新型石墨烯三维神经支架材料，并系统研究了石墨烯支架与神经干细胞的相互作用。相关研究日前发表于《自然》子刊《科学报告》。据介绍，石墨烯为单层或少层碳原子组成的低维碳纳米材料，具冇优异的理化性质，£|2004年被发现以來，已迅速成为材料科学与凝聚态物理等领域的研究对象。同时，石墨烯能够表现出良好的生物相容性，已被用于细胞成像、药物输运、干细胞工程及肿瘤治疗等领域。二、石墨烯的制备：(1)微机械分离法这类方法是通过机械力从石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层。Novoselov即是采用这种办法来制备石墨烯，这种方法产生的石墨烯晶体结构较为完整，缺陷较少，可用于实验。然而这种方法的致命弱点是无法控制单层石墨烯的尺寸大小,无法应用于实践。"刃(2)氧化石墨还原法 与石墨相比，氧化石墨由于拥有大量的轻基、竣基等基团，亲水性较好。氧化石墨经过适当的超声波震荡处理，极易在水溶液或者冇机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨悬浊液。将氧化石墨与水以lmg/mL的比例混合，用超声波農荡至溶液清晰无颗粒状物质,加入适量脐在100°C冋流24h,会产生悬浮的石墨烯片，这些右墨烯片可以沉淀在可弯曲的衬底顶部。这种方法可以大量生产石墨烯，然而被氧化的石墨难以被完全还原，将导致石墨烯某些性质(如导电性)的不足。[1,2.3](2)加热SiC法通过加热单品6H-SiC脱除Si,从而得到在SiC表而外延的石墨烯。将表而经过氧化或112蚀刻后的SiC在高真空下通过电了轰击加热到1000°C以除掉表面的氧化物，升温至1250°C〜1450°C，恒温1〜20min,形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。这种方法得到的石墨烯有两种，物理性质受SiC衬底的影响很大，一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大彩响，而生长在C层上的右墨烯则冇着极为优良的导电能力。但这种方法制造的石墨烯难以被从SiC衬底上分离出來，不能成为大量制造石墨烯的方法。[2.4](3)化学气相沉积法化学气相沉积法是半导体工业中最为常用的沉积技术。其原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔里进行化学反应，生成一种新的物质沉积在衬底表而。中科院化学研究所发明了一种方法。将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底温度达到500〜1200°C，向所属反应容器充入含碳物质，得到石墨烯。催化剂为金属或金属化合物。可为金、银、铜、锌、铁、钻、银、硫化锌、氧化锌、硝酸铁、氯化铁、氯化铜中的一种或任意组合。含碳物质可为一氧化碳、甲烷、乙烘、乙醇、苯、卬苯、环己烷或猷菁屮的一种或任意组合。⑺韩国成均馆大学的洪秉熙领导的一个研究组生产出了高纯度石墨烯薄膜，把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成一个透明电极。这种电极可以取代显示器上现在所使用的透明电极，价格却比现在通常用的氧化钢便宜的多。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的银。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在鎳层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作鎳层图形的方式，制备出图形化的石墨烯薄膜。⑻Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长岀了20nni左右厚度的花瓣状的石墨片，也有一些其他的科学家利用类似方法制 造出了石墨烯。化学气相沉积法是应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法。由于有着广泛应用范围，而且，生产工艺十分完善，因此，它被认为是最有前途的大规模制备石墨烯片的方法。但口前使用该方法制备石墨烯片仍有一些不足之处亟待解决。例如，研究表明，目前使用这种方法得到的石墨烯片在某些性能上（如输运性能）可以与机械剥离法制备的右墨烯相比，但后者所具冇的另一些屈性（如量了霍尔效应）并没有在化学气相沉积法制备的石墨烯中观测到。同时,化学气相沉积法制备的石墨烯的电子性质受衬底的影响很大，这也是冇待解决的一个问题。⑴刃三、应用前景：（1）、纳电子器件石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量了效应的理想材料。但是由丁•完整的石墨烯基本没冇带隙,极犬地限制了它在半导体器件上的应用，所以为石墨烯开启一个带隙，是一件非常重要的课题。近来研究表明，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量。然而,制备宽度小丁10nm的石墨烯纳米带是非常困难的问题。在纳电了器件方面石墨烯的可能应用包括：电了工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管;进一步减小器件开关时间,THz超高频率的操作响应特性;探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。据美国物理学家组织网2010年6月10日报道，美国科研人员利用石墨烯制造纳米电路领域取得突破性进展。设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐右墨烯的电学特征，使氧化右墨烯从绝缘物质变成导电物质。美国曼彻斯特大学的研究人员用石墨烯制成了分了级电了屯路。石墨烯可以被刻成拥有单个晶体管的电子屯路，其尺寸不比分子大多少，晶体管尺寸越小，其功能越强。研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换是制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用丁生产与生物兼容的右墨烯电线,可被用于测量单个生物细胞的电子信号。⑵、优良的太阳能电池因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具冇更优良的透光性。透明的石墨烯薄可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出i种制造透明石墨烯薄膜的技术,这是一种儿厘米宽、1〜5nm厚的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单 原子碳薄,可用丁•取代透明导电的1T0电极用于冇机太阳能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管。石墨烯运送电了的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。(3)、单分子传感器美国伦斯勒理工学院的研究者最近发表的三项新研究成果表明右墨烯应该用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池/电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。2010年,美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将右墨烯薄片与单层氨合形成石墨烷。氨使导电的石墨烯变换成为绝缘的石墨烷。研究人员移除石墨烯薄片两面的氨原了岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这-•技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。结语：综上所述，石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件，但这些元件要达到实际应用水平，还需要解决一人问题。那就是如何在所要求的基板或位置制作出不含缺陷及杂质的高品质石墨烯，或者通过掺杂(Doping)法实现所期望载流子密度的石墨烯。用于透明导电膜用途时能否实现大面积化及量产化，而用于晶体管用途时能否捉高层控制精度,这些问题都十分重要。今后，为了探寻右墨烯更广阔的应用领域,还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺，使其得到更好的应用。参考文献：⑴王春，纳米金刚石_碳纳米管一石墨烯性能的第一原理研究，吉林人学博上学位论文[2]黄桂荣，石墨烯的合成与应用，炭素技术29卷(2009年)1期，35-38[3]A.K.Geim,Graphene:StatusandProspect,Scienee324,530⑷刘忠良，碳化硅薄膜的外延生长—结构表征及石墨烯的制备，中国科技大学博士学位论文⑸吴康迪，石墨烯晶体管：摩尔定律的延寿者，计算机世界报（2008年）43期，38-39⑹李丿IQ,赵卫峰，陈国华，石黑烯的制备与表征研究，材料导报22卷（2008年）8期，48-51⑺刘云圻，魏人程，狄重安等，化学气相沉积法制备石眾烯的方法，中国专利：200810113596, 2008-05-29[8]洪秉熙（ByungHeeHong）等，Large-scalepatterngrowthofgraphenefilmsforstretchabletransparentelectrodes,nature457,706