石墨烯的特性、制备及应用

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1、石墨烯的特性、制备及应用目录1、简介2、特性3、制备方法4、应用前景1、简介2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家——安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。1、简介2004年，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。1、简介石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体

2、，其厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142纳米。“二维结构”从想象到现实1、简介石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或堆叠成三维的石墨。2、特性“最强性能”有许多最薄最轻载流子迁移率最高电阻率最低强度最大最坚硬导热率最高厚0.335nm，比表面积为2630m2/g室温下为20万cm2/Vs（硅的100倍）约为10-6Ω•cm（比铜和银更低）破坏强度：42N/m（结构钢的200倍）3000~5000W/mK

3、（硅的50倍）2、特性单层石墨烯的价带与导带相交于布里渊区的六个顶点，这些顶点就是狄拉克点。由此，我们发现石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料。低电阻率高迁移率高迁移速度半整数量子霍尔效应2.1电学特性石墨烯三维能带结构图2.2力学特性2008年，美国哥伦比亚大学两名华裔科学家韦小丁和李昌钴研究发现，石墨烯是至今测量过的强度最大的材料，比结构刚的强度要高200倍。2013年，该研究团队发现即使是存在缺陷的石墨烯仍然是目前已知的强度最高的材料。完全由缝合晶界组成的石墨烯薄膜能保持超高强度，这是石墨烯在柔性电子和加强件等领域大量应用

4、的关键。2、特性2.3热学特性(1)石墨烯的导热率高达5300W·m-1·K-1，是铜的2倍和硅的50倍；(2)单层石墨烯的导热率与片层宽带、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；(3)石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点；(4)在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。2、特性2.4光学特性2008年，Nair等人发现石墨烯在近红外和可见光波段具有极佳的光透射性。他们将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在几十个μm量级的孔洞上，发现单层石墨烯的透光率可达97.7%，而且透光率随着层数的增加呈线性减少的趋势。不同层数石墨烯的透射光谱2、特性3、制备

5、方法机械剥离法化学气相沉积法SiC热分解法氧化石墨烯还原法石墨烯制备方法3、制备方法3.1机械剥离法机械剥离法，是一种反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯的方法，缺点是很难控制所获得的石墨烯片的大小及层数。而且只能勉强获得数mm见方的石墨烯片。其优点是，可以获得采用其他方法时无法实现的极高品质石墨烯片。还有人指出，“正是因为机械剥离法的出现才使石墨烯的分离研究在短时间内取得了进展”。3、制备方法3.2化学气相沉积法另外，制造大面积石墨烯膜也已成为可能。采用的方法是化学气相沉积法。这是在真空容器中将甲烷等碳源加热至1000℃左右使

6、其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜的技术。2010年6月韩国成均馆大学与三星电子等宣布，开发出了可制备30英寸单层石墨烯膜的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板，这一消息让石墨烯研究人员及技术人员感到十分吃惊。不过，在1000℃高温下采用的工艺只能以分批处理的方式推进，这是该制造工艺的瓶颈。而且这种工艺还存在反复转印的过程中容易混入缺陷及杂质的问题。3、制备方法3.3SiC热分解法SiC基板的热分解法是，将SiC基板加热至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自发性重新组合形成石墨烯片的工艺。IBM公司2010年1月将

7、原来的机械剥离法改为这种方法制作了石墨烯FET。其优点是“不会受原来SiC基板上存在的若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片”。而其存在的课题是，需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数μm见方以上，而且很难转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC基板。3、制备方法3.4氧化石墨烯还原法第4种制作工艺是三菱气体化学2000年开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液内溶化，在基板上涂上薄薄的一层后再使其还原。目前，这种方法用于制作大面积透明导电膜以及采用涂布工艺制作的TFT。尽管该工艺的温度较低而且方法简

8、单，但由于采用折叠多个数十nm见方断片的构造，而且不能完全还原，因此存在的课题是很难确保充分的导电性及透明性。3、制备方法石墨烯产品最终能否抢占硅材料产品地位，取决于其能否实现工业化标准化生产量产化进一步改进CVD法或开