石墨烯的制备.doc

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1、石墨烯的制备方法及前景石墨烯是碳族材料的基本单元，可变形为零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs）及三维的石墨。石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如超大的比表面积、高的电子迁移速率、良好的化学性能、良好的热导性、高弹性模量和机械强度等，因而应用非常广泛，主要集中在纳米电子器件、超级计算机芯片、碳晶体管、光电感应设备、储氢材料等领域。目前，石墨烯的制备方法主要有机械法、氧化石墨还原、热分解SiC法、化学沉积生长法、外延法等。1石墨烯的制备1.1机械球磨剥离法以机械剥离法为基础，结合球磨法原理进行工艺改进，总结出机械球磨剥离法。而最初的机械剥离

2、法是指以热解石墨为原料，利用机械力从其表面层剥离出石墨烯的方法。Geim研究小组［4］于2004在实验室中首次采用机械剥离法制备出最大宽度可达10μm的石墨烯片。具体步骤：将高取向热解石墨置于SiO2/Si等基底上，再用氧等离子束在其表面刻蚀出宽为20μm~2mm、深为5μm的微槽面，焙烧后用透明胶带反复撕揭剥离出多余的石墨片，然后将剩余在基底上的石墨薄片浸泡于丙酮溶液中进行超声清洗，并在原子力显微镜下挑出基底上厚度达几个原子层的石墨烯片。该方法制备的石墨烯能耗低，制备过程绿色、无污染且可得到宽度达微米尺寸的石墨烯片，并可保持较完美的晶体结构

3、，缺陷含量较低；但此制备过程操作繁琐，产率非常低。随后研究出一种新型机械球磨剥离法。该方法具体步骤：将碳素材料粉体及固体颗粒和液体介质（或气体介质）混合，然后送入特制球磨机中剥离一定时间，之后转移至分离器中分离，去除固体颗粒和液体介质，即可得到石墨烯或氧化石墨烯。机械球磨剥离法相比于机械剥离法在剥离工艺上进行了改进，大大提高了生产效率；生产设备无大型精密仪器，其中剥离设备可由球磨机改造而成，节约硬件成本；生产过程无高温膨胀，可以通过相应控制条件实现对石墨烯层数和尺寸的控制；产品综合性能非常好，具有原始机械剥离法的绝大部分优点，具有很大的研究和

4、应用价值。1.2化学氧化还原法氧化石墨还原法是以天然石墨为原料，利用氧化反应削弱石墨层间相互作用，使其间距增大，然后分离氧化石墨得到氧化石墨烯，最后还原去除含氧官能团得到石墨烯。具体步骤：用无机强质子酸（如浓硫酸、发烟硝酸或他们的混合物）于反应室处理原始石墨，将强酸小分子插入石墨层间；其次再加入强氧化剂（如KMnO4、KClO4等）将其进行氧化，消弱石墨层间作用力；然后超声处理，得到氧化石墨烯；最后加入还原剂，还原去除含氧官能团得到石墨烯。氧化石墨还原方法是在溶液中常温下进行制备石墨烯的一种方法，装置简单、易于流程化规模化，原料为石墨，设备易

5、于维护从而成本较低，且制备得到的石墨烯可通过简单的工艺沉积在任何基底上，易于组装，是目前最可能实现石墨烯大规模化制备的方法之一，利于石墨烯在大尺寸有机器件、光伏电池、电化学器件、透明导电薄膜、复合材料以及储能等规模化应用上的研究。1.3化学气相沉淀法化学气相沉积法(CVD)是应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺。用CVD法制备石墨烯时不需颗粒状催化剂，它是将平面基底(如金属薄膜、金属单晶等)置于高温可分解的前驱体(如甲烷

6、、乙烯等)气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底类型、生长温度，前驱体流量等参数可调控石墨烯的生长(如生长速率、厚度、面积等)，此方法已成功地制备出面积达平方厘米级的单层或多层石墨烯，其最大的优点在于可制备出面积较大的石墨烯片。1.4切碳纳米管法通过对多壁碳纳米管进行氧化处理，使碳纳米管首先沿径向方向切开，然后展开的多壁碳纳米管再被拆散形成单层或少层石墨烯纳米管，这种方法获得石墨烯纳米带具有很好的水溶性，通过后续的化学处理可以恢复其导电能力。该方法产率高，能将几

7、乎全部的碳纳米管切成石墨烯窄带，而且通过对产物的后续处理，可以去除边缘的氧，得到具有优异电学性质的本征石墨烯窄带。切碳纳米管法开辟了制备石墨烯，特别是石墨烯纳米带的一种新途径，但这种过程不可控，产品均一性较差，仍有很多化学反应过程和机制需要进一步研究。1.5碳化硅热解法高品质的石墨烯往往很难获得。通过热分解SiC可以获得高质量、不同重构方式、不同几何形状的石墨烯，控制生长条件还可以实现单层和少数层石墨烯的制备。对于SiC热分解法获得的双层石墨烯，调整每层载流子的浓度，将会引起库伦式的改变，最终将引起了导带和价带间隙的可调控，使得石墨烯作为原子

8、级的整流电子器件成为可能。另外，采用高温生长技术，可以在SiC基底上生长出垂直站立的石墨烯团簇。通过控制生长条件，可以调控其结构、疏密程度和高度等。这种无支撑、自由