关于石墨烯【石墨烯课题研究】

石墨烯的制备与研究

摘要：石墨烯因具有独特二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求, 且石墨烯片层容易堆叠和团聚, 制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质, 拓展并提升石墨烯的性能, 对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物, 多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。本文主要就石墨烯主要的化学制备方法进行了简要分析，包括外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法等，并对各方法的进展情况及主要优缺点进行了简要的综述，着重介绍了化学气相沉积法和外延生长法在石墨烯制备中的应用和前景。 关键词：石墨烯；领域进展；外延生长法；气相沉积法

1 石墨烯结构类型及主要成果

1.1物理构型

石墨烯, 即石墨的单原子层, 是碳原子按照sp2碳-碳(C-C)键形成的以蜂窝状排列的二维晶体结构。作为集多种优越性能于一身的新型材料石墨烯，在电子迁移方面有着独特的优势，因其只有单层原子，使得电子的运动被限制在一个平面上，有全新的电学属性，被认为是世界上导电性能最好的新型材料，电子在其中的运动速度远远超过了其余材料中导电速度，最高可达1/300倍的光速，其电子迁移率高于硅材料两个数量级。在实际生活中，若在塑料中掺入很少量的石墨烯，便使塑料的导电性能大大增加，抗热、抗拉、超强韧，在汽车、飞机和卫星制造中具有极高的应用前景，与此同时，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，未来实现商业化的方向主要有航空航天、新能源电池领域和移动设备等多个领域。现今，各国主要行业已着眼于此方面的商用市场，作为基础材料的石墨烯的发展前景也越

来越被看好。经调查显示，手机触摸屏和平板电脑对石墨烯材料触摸屏的需求日益增长，一些公司的研究人员也已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信大规模商用指日可待。

1.2主要研究进展

作为从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，且作为目前研究的材料领域中发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最好的一种新型纳米材料，石墨烯被称为新材料成果领域中的“黑金”，目前，此研究领域的主要成果主要有：一，研制出一种经化学改性的石墨烯，即石墨烯氧化物来在水中对指定打印物质进行反映，成功使用石墨烯3D 打印出指定结构；二，由于石墨烯具有纳米尺寸且具有准连续性的特点，可以将石墨烯薄膜应用于人造电子皮肤等领域，用来转移到柔性衬底上，制造柔性、透明的高灵敏度应力传感器，使石墨烯在电子皮肤研究领域取得系列进展；三，采用石墨烯基复合电极材料路线，开发出容量可以控制的锂离子电容器插件，一方面大大减少了机动车充电的时间，使其由原来的9个小时缩短至10分钟之内，另一方面其可支持行驶的公里数大大延长，以石墨烯基复合材料制备而成的锂离子电容器首次在电动自行车中示范应用。三，研究人员经过大量研究，发现了一个不需要黏合剂就可以增加石墨烯墨水导电性的新方法，使得压缩墨水的导电率提高了近50倍，利用石墨烯可以打印出射频天线，并使无线射频辐射的效率大大提高。四，特定的石墨烯材料在光照条件下产生的驱动力是传统光压的千倍以上，将此种材料应用到驱动帆板上，理论上获得的驱动力将大幅提高其加速度，新型石墨烯材料的应用让“光动飞行”成为可能。五，石墨烯材料可以将光能直接转化为动能，此次重大发现标志着石墨烯材料将成为一种新的动力来源，这种动力源将远远高于光压现象所产生的动力源，使得石墨烯的应用将为太空动力提供新的能源。

目前制备石墨烯的方法主要有物理或者化学方法两种，物理方法主要是通过机械力、溶剂的张力、气体的冲击力等破坏石墨层片间的相互作用力，来达到对石墨的剥离达到制备石墨烯的目的，相比于物理方法，化学法主要是通过改变石墨的内部结构与基团制备石墨烯的方法。化学法具有重复性强、工业化生产容易

的优势，得到了广泛的关注。石墨烯材料的制备方法多种多样，但是还有很多问题亟待解决，故制备工艺的优化和新方法的探索仍然有着很大的发展空间，最终方向是未了制备出大面积、高质量、成品层数容易控制和孔隙可以控制的石墨烯材料。

2 主要制备方法

2.1外延生长法

外延生长法是一种晶体层作为基质生长出另一种晶体曾的方法。基质的挥发性和凝结性在很大程度上影响石墨烯在基质上的生长情况。在实验过程中，当基质发生渗漏时，此时基质的挥发性大于其凝结性，碳原子在基质上可以生长形成石墨烯。从研究碳化硅的过程中发现单层和多层石墨开始，研究者们发展出了很多外延生长法制备石墨烯的方法。所谓外延法，是在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法，与其他制备方法相比，外延法是最有可能获得大面积、高质量石墨烯的制备方法，而且其获得的石墨烯具有比较好的均一性和稳定性，且与当前的集成电路技术具有很好的兼容性，根据所选基底材料的不同，外延生长法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法两种方法。金属外延法指的是将谈情化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底在超高真空条件下进行反应，控制一定的反应条件，如经加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中会逐渐长满整个金属基底，与此同时，其自身生长过程为一个自限过程，即在吸收气体达到饱和之后，基底自身不会继续自行重复吸收。因此所制备出的石墨烯常为单层，且其材质大多为均匀的石墨烯，其基本特点是利用此种方法制备的石墨烯大多为单层结构，且可以连续生长出均匀大面积的单层石墨烯。与其他方法相比而言，金属外延法制备的石墨烯还具有易于转移的优点，此种方法基本机理是，在高真空气氛条件下，碳和金属的亲和力比其他元素高，因而硅和氢元素均可以被脱除，而溶解在金属表面中的碳元素可以在一定条件下在金属表面上重新析出结晶重构生长出石墨烯。在石墨烯的生长过程中，第一层新长出的石墨烯覆盖金属表面大约百分之八十左右，第二层石墨烯才会开始生长，底层的石墨烯此时会与衬底产生强烈的相互作用，而第二层与衬底之间只有

其他类型的微弱的作用力，从而达到与金属衬底完全分离的目的，用此种方法得到的单层石墨烯具有良好的电学性质。当此种金属的表面被石墨烯完全覆盖之后，石墨烯的生长就会被迫停止，表现出自限制生长模式。利用此种性质，可以通过选择合适的金属衬底和工艺参数实现大面积、高质量的石墨烯制备。碳化硅外延法，此种方法是指以碳化硅单晶为衬底，在高温下通入一定量的氢气发生刻蚀作用对衬底表面进行平整化处理，从而使之形成具有原子级平整度的表面，再在超高真空环境下加热到1400摄氏度以上断裂表面的碳硅键，此时硅原子从表面脱附，剩下的碳原子进行重构作用行程石墨烯薄膜。

2.2化学气相沉积法

化学气相沉积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，从而制备出固体材料的技术。主要反应流程如下：准备一定量的铜箔，并将铜箔置于甲烷和氢气的石英管中进行热处理，之后快速降温，反复进行后可以在铜箔的表面获得导电性能优良的石墨烯产品。之后将铜片放入通有醇类蒸气的反应器中，大约历时五分钟之后，停止通入蒸气并将反应器中的温度降低至室温，将PMMA 涂抹到石墨烯的铜片上，再升温进行固化，对铜片进行一定的腐蚀，之后用去离子水进行洗涤，用丙酮将涂抹的物质溶解后，可以使得制备的石墨烯转移到硅表面。用此种方法制备的石墨烯具有褶皱连续，面积大，导电能力好的优势，同时相较于其他制备方法而言，此种方法制得的石墨烯也具有简单高效、价格低廉、安全可靠的特点。

结论

石墨烯作为一种新型碳纳米材料具有比表面积大、热稳定性好、化学和机械稳定性高等优点，它作为吸附材料在富集有机小分子、金属离子以及生物大分子方面显示出了优异的萃取性能，在样品处理前处理的研究领域中受到了广泛的重视。关于石墨烯的不同制备合成方法对石墨烯的品质和性质，如何高效、低成本制备高质量高性能的石墨烯材料仍是目前面临的具有挑战性的课题。

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