石墨烯的制备方法与应用

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1、石墨烯的制备方法与应用摘要:石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元,具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展,包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的热潮。关键字:石墨烯,制备,应用,氧化石墨烯，传感器石墨烯的定义石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构

2、的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的结构完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形)。如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲;12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。单原子层石墨晶体薄膜。每个原胞中两个碳原子，每个原子与最相

3、邻三个碳原子形成三个σ键。每个碳原子贡献一个多余p电子，垂直于graphene平面，形成未成键的π电子——良好的导电性。石墨烯的性能最薄——只有一个原子厚强度最高——美国哥伦比亚大学的专家为了测试石墨烯的强度，先在一块硅晶体板上钻出一些直径一微米的孔，每个小孔上放置一个完好的石墨烯样本，然后用一个带有金刚石探头的工具对样本施加压力。结果显示，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为2．9微牛左右。按这个结果测算，要使1米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55牛顿的压力，也就是说，用石墨烯制成的包装袋应该可以承受大约两吨的重

4、量。没有能隙——良好的半导体良好的导热性热稳定性——优于石墨较大的比表面积优秀导电性——电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度--电子的“光速”移动碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。说明石墨烯极有可能成为半导体装置使用的最合适材料室温下的量子霍尔效应注：这样的测量还需要在接近绝对零度的温度下进行，同时还需施加非常强的磁场，但全世界仅有少数几家专业实验室具备这

5、样的条件。长期来讲，石墨烯倾向于能提供一个更好的标准。其它特殊性质石墨烯具有明显的二维电子特性。近来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更好石墨烯的制备方法物理方法：微机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。印章切取转移印制法在印章突起的表面上涂上一层/转换层0(可用树脂类材料通过旋转涂布法均匀涂于表面,其作用像胶水那样黏附石墨烯),在300psi及室温下,将这种印章按压在石墨上,高压下印章边缘产生极大的剪应力,使得石墨烯层从石墨上分离

6、下来。类似地,将石墨烯层从印章上转移到器件上同样需要/固定层0(要求这种/转换层0与石墨烯间的作用力远大于/转换层0与石墨烯间的作用力),经类似的操作使得石墨烯从印章上剥落下来。印章切取转移印制法操作简单,但难以制备单层石墨烯,Stephen等[23]通过此方法得到的多为四层的石墨烯(厚度约为113nm)。模板法1988年京谷隆等利用模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层，一旦脱除模板，这些片层就会白组装形成体相石墨。一些研究小组正在探索如何利用二维模板的孔隙制备可自由存在的单层石墨烯片层，但至今尚无令人满意的结果报道。化学方法：氧化-还原法指

7、将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。溶液剥离法原理是将少量的石墨分散于溶剂中,形成低浓度的分散液,利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力,此时溶剂可以插入石墨层间,进行层层剥离,制备出石墨烯。加热Si-C法加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气刻蚀的样品在高真空下通过电子轰击，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至

8、1250-1450℃后恒温1min-20min，从而形成极薄的石墨层,从而制备出单层或是多层石墨烯。化学气相沉积法(ChemicalVaporDeposition,