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1、石墨烯的功能及其应用材科111甘立雪201104002摘要：石墨烯（碳的二维同素异形体）因具有优良的电学、热学和机械性能,以及高透光率和超大比表面积等而备受人们关注。尤其是2004年稳定存在的石墨烯被成功地获得,更是掀起了石墨烯的研究高潮。获得低成本、大面积、高质量的石墨烯,并将其用于实际生产是研究人员奋斗的目标。本文主要对近几年一些改进的或新的石墨烯的制备方法以及其主要的性能及其潜在应用做了综述,从中可以看到石墨烯的巨大发展潜力。关键词：石墨烯制备方法功能应用1前言碳是一种很常见的元素，以各种形式广泛
2、存在于大气和地壳，也是构成生命有机体的主要元素。除了最早被人们所知道的两种碳单质——石墨和金刚石以外，炭黑，活性炭，碳纤维，玻璃碳等也都属于碳材料。随着纳米材料与技术在20世纪80年代取得的极大进展，纳米碳材料于同一时期开始进入历史舞台：1985年，三位英美科学家发现了碳的零维晶体结构——富勒烯【1】，并于1996年获得诺贝尔化学奖；1991年，饭岛澄男发现了碳的一维管状纳米结构——碳纳米管【2】，并于2008年获得卡弗里纳米科学奖；2004年，碳的二维晶体结构——石墨烯(Graphene)，被两位英国
3、科学家安德烈·盖姆(Andre·Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(KonstanitinNovoselov)发现并于2010获得诺贝尔物理学奖。作为碳的二维晶体结构，石墨烯与富勒烯、碳纳米管、石墨一起最终将碳的同素异形体构成了一幅点、线、面、体相结合的完美画面(如图1)。图1碳的零维、一维、二维、三维晶体结构石墨烯是一种由单层碳原子SP2杂化堆积成的具有二维蜂窝状晶体结构的碳质材料[3]。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,每个碳原子都与3个相邻的碳原子之间形成3个连接十分牢固的σ键,剩余的一个P电子在垂
4、直石墨烯平面的方向上,与周围原子形成贯穿全层的大π键,此电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。虽然石墨烯的理论研究已经进行了60多年,但之前科学界普遍认为,热力学不稳定性使得任何二维晶体在一定温度下都不能稳定存在。直到2004年,英国曼彻斯特大学Geim和Novoselov用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法得到了稳定存在的石墨烯,石墨烯才又一次引起了人们的关注。石墨烯因其独特的二维晶体结构,具有很多优异的性能。其超大的比表面积,理论值为2630m2/g[4];哥伦比亚大学的研究人员测得单层石墨烯弹性
5、模量约1TPa,强度约为130GPa,热导率为3080~5150W/(m·K);蜂窝状的结构使石墨烯内部的杂质和缺陷很少,电子在轨道中迁移时不会受其影响而散射,剥离的单层石墨烯展示出高达约10000cm2/(V·s)的载流子迁移速率;石墨烯结构内部碳原子连接柔韧,受外力时碳原子会弯曲变形,但不会重排,具有很高的稳定性;几乎完全透明,对光的吸收率只有2.3%;具有非定域性、量子力学效应和双极性电场效应等特性,这些都使得石墨烯在纳米复合材料、高速晶体管、灵敏传感器、超级电容器、太阳能电池等方面具有很大潜在应
6、用。2石墨烯的制备方法石墨烯性能优异，在很多领域具有潜在的应用。然而，石墨烯使用价值实现的前提是大量高质量石墨烯的制备。石墨烯的经典制备方法有微机械剥离法，化学气相沉积法，加热碳化硅法，氧化还原法等。2.1微机械剥离法微机械剥离法是指用胶带等手段通过机械力分离高定向热解石墨(HighlyOrderedPyrolyticGraphite，HOPG)原料从而制各石墨烯的方法。2004年，Geh等首次用该法发现了石墨烯：将HOPG上刻蚀出石墨柱的一面压在涂有1微米湿厚光刻胶的玻璃片上，在烘烤后就实现了留在光刻
7、胶上的石墨柱与原料HOPG的分离，然后用胶带从光刻胶上反复剥离掉石墨，最后用丙酮溶解掉光刻胶，留在光刻胶上的石墨烯片层即可分散在了丙酮中。将Si02／Si衬底在溶过光刻胶的丙酮溶液中浸过后用大量的水和丙醇冲洗，一部分石墨片层就可留在衬底上，然后在丙醇中超声衬底，最后就得到了单层的石墨烯。微机械剥离法是一种低成本、简单的制备石墨烯的方法，由于没有经过任何化学处理，所以质量高，缺陷少，可以用于研究石墨烯的性质。但是这种方法得到石墨烯尺寸小，层数难以精确控制，产量很低，难以大规模制备，由于光刻胶的使用，样品表
8、面可能残存胶渍，造成清洁度不够高，因此不能满足工业化大规模生产的要求，而且从不同厚度的石墨烯中寻找单层石墨烯比较困难，所以限制了其应用领域。2.2化学气相沉积法化学气相沉积法是工业上应用最广泛的一种大规模制备半导体薄膜材料的方法，也是目前制备石墨烯的一条有效途径。Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的“petal"(花瓣)状的石墨片：用电感耦合射频等离子体CVD在多种衬底上生长出的
