石墨烯的化学气相沉积法制备

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1、摇第26卷摇第1期2011年2月新摇型摇炭摇材摇料NEWCARBONMATERIALSVol.26摇No.1Feb.2011摇文章编号:摇1007鄄8827(2011)01鄄0071鄄10墨烯的化学气相沉积法制备任文才,摇高力波,摇马来鹏,摇成会明(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016)摘摇要:摇化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥

2、离法、化学剥离法、SiC外延生长法和CVD方法)的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了CVD法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来CVD法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。关键词:摇石墨烯;制备;化学气相沉积法;转移中图分类号:摇TQ127.1+1文献标识码:摇A1摇前言自从1985年富勒烯[1]和1991年碳纳米管[2]被发现以来,碳纳米材料的研究一直是材料研究领域的热点,引起了世界各国研究人员的极大兴趣。虽然碳的

3、三维(石墨和金刚石)、零维(富勒烯)和一维(碳纳米管)同素异形体都相继被发现,但作为二维同素异形体的石墨烯长期以来被认为由于热力学上的不稳定性而难以独立存在,在实验上难以获得足够大的高质量样品,因此石墨烯的研究一直处于理论探索阶段。直到2004年,英国曼彻斯特大学的科学家利用胶带剥离高定向热解石墨(HOPG)获得了独立存在的高质量石墨烯[3],并提出了表征石墨烯的光学方法,对其电学性能进行了系统研究,发现石墨烯具有很高的载流子浓度、迁移率和亚微米尺度的弹道输运特性,从而掀起了石墨烯研究的热潮。电薄膜、功能

4、复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广阔的应用前景[4,7]。关于石墨烯的能带结构以及特殊的物理性能,已经在本刊其他评述论文[13]中介绍,本文就不再重复。摇摇材料的制备是研究其性能和探索其应用的前提和基础。尽管目前已经有多种制备石墨烯的方法,石墨烯的产量和质量都有了很大程度的提升,极大促进了对石墨烯本征物性和应用的研究,但是如何针对不同的应用实现石墨烯的宏量控制制备,对其质量、结构进行调控仍是目前石墨烯研究领域的重要挑战。本文首先简要介绍了石墨烯的几种主要制备方法的原理和特点,继而详细地评述了近两年发

5、展起来的化学气相沉积(CVD)制备方法及其相应的石墨烯转移技术的研究进展,并展望了未来CVD法制备石墨烯的可能发展方向。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结2摇石墨烯的主要制备方法构,是构成其他维数碳材料的基本结构单元。石墨烯可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨[4]。由于独特的二维结构特征和极佳的晶体学质量,石墨烯的载流子表现出类似于光子的行为,为研究相对论量子力学现象提供了理想的实验平台[5鄄8],此外石墨烯还具有优异的电学[9]、光学[10]、热学[11]、力学[

6、12]等特性,因此在场效应晶体管、集成电路、单分子探测器、透明导胶带剥离法(或微机械剥离法):2004年由英国曼彻斯特大学的Geim研究组发展的一种制备石墨烯的方法,它利用胶带的粘合力,通过多次粘贴将HOPG、鳞片石墨等层层剥离,然后将带有石墨薄片的胶带粘贴到硅片等目标基体上,最后用丙酮等溶剂去除胶带,从而在硅片等基体上得到单层和少层的石墨烯[3,14]。该方法具有过程简单,产物质量高摇收稿日期:2010鄄12鄄31;摇修回日期:2011鄄02鄄14摇基金项目:国家自然科学基金(50872136,5097

7、2147,50921004)、中国科学院知识创新项目(KJCX2鄄YW鄄231).摇通讯作者:任文才,研究员.E鄄mail:wcren@imr.ac.cn;成会明,研究员.E鄄mail:cheng@imr.ac.cn;高力波.E鄄mail:lbgao@imr.ac.cn摇作者简介:任文才(1973-),男,山东东营人,博士,研究员,主要研究方向为石墨烯和碳纳米管的制备、物性和应用.E鄄mail:wcren@imr.ac.cn·摇72·新摇型摇炭摇材摇料第26卷的优点,所以被广泛用于石墨烯本征物性的研究,但

8、产量低,难以实现石墨烯的大面积和规模化制备。摇摇化学剥离法:利用氧化反应在石墨层的碳原子上引入官能团,使石墨的层间距增大,从而削弱其层间相互作用,然后通过超声或快速膨胀将氧化石墨层层分离得到氧化石墨烯,最后通过化学还原或高温还原等方法去除含氧官能团得到石墨烯[15鄄16]。该方法是目前可以宏量制备石墨烯的有效方法,并且氧化石墨烯可很好地分散在水中、易于组装,因此被广泛用于透明导电薄膜、复合材料以及储能等宏量应用研究。然而,氧化