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1、石墨烯的制备与表征分析吕生华，邱超超（陕西科技大学资源与环境学院，陕西西安，710021）摘要:本文重点分析了制备石墨烯的几种不同方法，包括：机械剥离法、石墨插层法、电弧放电法、化学气相沉积法、溶剂剥离法与溶剂热法等，并且评述了这几种方法的特点及存在的问题。介绍了石墨烯的几种表征方法，并阐述了其未来的发展前景。关键词：石墨烯；表征；制备；性能Abstract:Preparationmethodsofgraphenearemainly:mechanicalexfoliationmethod,graphiteintercal
2、ationmethod,arcdischargemethod,chemicalvapordepositionmethod,solventexfoliationmethodandsolvothermalmethod,etc.Thecharacteristicsandexistentialproblemsofabovementionedpreparationmethodsareanalyzed.Finally,severalcharacterizationmethodsofgraphenearesummarized,andt
3、hefuturedevelopmentofgrapheneisalsomentioned.Keywords:graphene;characterization;preparation;property1引言每隔几年,总会有一些具有特殊性质的材料被发现并引起科学界的轰动,比较典型的例子是高温超导体及碳纳米管的发现。而于2004年被发现的石墨烯[1],由于具有许多特殊的性质,一经发现即毫无疑问地成为目前材料科学界的研究热点。它的出现彻底颠覆了70年前由Landau和Peierls提出的绝对二维晶体是热力学不稳定的且不可能存在
4、的传统理论。石墨烯是由碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。因为可以由石墨烯卷成零维的富勒烯及一维的碳纳米管以及堆积成三维的石墨，所以它被称之为“石墨之母”。石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网格结构。各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于石墨烯具有优异的导电性，自2
5、004年被英国曼彻斯特大学研究组发现后[2]，不断有新的成果被报道。Fang课题组[3]发现石墨烯和PMMA较大热膨胀系数差别是产生周期性褶皱原因，这些周期性褶皱会影响石墨烯的电学性质。美国伊利诺大学香槟分校的一项实验结果表明[4]，石墨烯边缘的晶体取向会对其导电性能产生相当重要的影响。美国加州大学圣迭戈分校等机构的科学家发现石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示器件的ITO透明电极。纳米材料石墨烯，因其具有很多特殊性质，比如零能隙，反常的量子霍耳效应，朗道量子性等，吸引了国内外学者从凝聚态电子结构、输运
6、性质到相对论的研究等众多方面的研究兴趣。虽然石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。虽然石墨烯作为工程材料具有很大的应用前景，然而如何有效方便地制备出高质量二维石墨烯纳米薄膜是发展研究和应用的关键所在。因此，应寻找一种快速的、可控的高质量石墨烯纳米薄膜的制备工艺。72石墨烯的制备方法2.1微机械剥离法2004年,石墨烯的发现者Geim等[5]用一种极为简单的方法--微机械剥离法成功地制备并观测到单层石墨烯。他们首先用光刻胶将
7、高定向热解石墨转移到玻璃衬底上,然后用透明胶带进行反复粘贴将高定向热解石墨剥离,随后将粘有石墨烯片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声振荡。再将单晶硅片放入丙酮溶剂中,单层石墨烯片会由于范德华力或毛细管作用吸附在单晶硅片上,从而成功地制备了二维的石墨单层。最近,Knieke等[6]利用湿法研磨法在室温下研磨普通石墨粉,成功的对石墨的片层结构进行了剥离,制备了单层和多层的石墨烯片。为了防止剥离出来的石墨烯片的团聚,研磨过程中加入阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠以稳定石墨烯片。该法工艺简单,成本低廉,但费时费力,重复性差,难以大规模制
8、备。2.2化学还原石墨烯氧化物法氧化石墨一般是通过最常用的Hummers法进行制备[7]。该法以石墨粉为原料,经过强氧化剂浓硫酸和高锰酸钾的氧化,石墨的层间被插入了羟基、环氧及羧基等含氧基团,拉大了石墨的层间距,从而得到了石墨氧化物。然后通过超声作用,将石墨氧化物剥离得到单层的石墨烯氧化物(GO)。对GO进行还原,可
