石墨烯制備演示教學(xué)

1、石墨烯的制備方法微機(jī)械剝離法 氧化石墨復(fù)原法外延生長(zhǎng)法化學(xué)合成法化學(xué)氣相沉積法 微機(jī)械別離法 在高定向HOPG(熱解石墨)外表用氧等離子干刻蝕進(jìn)行離子刻蝕，在外表刻蝕出一定大小的微槽。 將其用光刻膠粘到玻璃襯底上。 用透明膠帶進(jìn)行反復(fù)撕揭, 去除多余HOPG。 將粘有微片的玻璃襯底放入丙酮溶液中超聲 將單晶硅片放入丙酮溶劑中,將單層石墨烯“撈出。優(yōu)點(diǎn)：1、機(jī)械剝離法是最簡(jiǎn)單的方法 2、對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件的要求非常簡(jiǎn)單 3、并且容易獲得高質(zhì)量的石墨烯缺點(diǎn)：1、這種方法得到的石墨烯層數(shù)范圍很多 ， 結(jié)果比較不可控，效率低，隨機(jī)性大。 2、制得的石墨烯面積都比較小，產(chǎn)量低， 無法滿足工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需要。

2、微機(jī)械別離法氧化石墨復(fù)原法根本思路： 制備氧化石墨復(fù)原得石墨烯 石墨的氧化方法：Huminers、Brodie、Staudenmaiert 根本原理：用無機(jī)強(qiáng)質(zhì)子酸(如濃硫酸)處理原始石墨， 將強(qiáng)酸小分子插入石墨層間，再用強(qiáng)氧化劑 (如KMn04、KCl04等)對(duì)其進(jìn)行氧化。 復(fù)原的方法： 化學(xué)復(fù)原法、熱復(fù)原法、 電化學(xué)復(fù)原法、激光照射復(fù)原優(yōu)點(diǎn)：制備的石墨烯為獨(dú)立的單層石墨烯片，產(chǎn)量高， 環(huán)保，本錢較低，并且能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)：制備的石墨烯質(zhì)量不高；強(qiáng)氧化劑會(huì)嚴(yán)重破壞 石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性，影響電 子性質(zhì)。 氧化石墨復(fù)原法外延生長(zhǎng)法根本思路：加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單

3、晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過程： 將6H-SiC單晶外表進(jìn)行氧化或H2刻蝕預(yù)處理 在高真空下通過電子轟擊，除去氧化物 用俄歇電子能譜確定外表的氧化物是否完全被移除 將樣品加熱使之溫度升高至1250-1450 后恒溫1min-20min，從而形成極薄的石墨層, 制備出單層或是多層石墨烯。Fig.3 Silicon carbide is reduced to graphene as silicon sublimes at high temperature化學(xué)合成法 以小分子或大分子有機(jī)物為前驅(qū)體，在堿金屬催化或環(huán)化脫氫等工藝條件下自下而上的石墨烯制備方法。 根本過程： a 由環(huán)化脫

4、氫過程得到連續(xù)的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu) b 通過Diels-Alder反響、Pd催化的 Hagihara-Sonogashira等先合成六苯并蔻(HBC) c 在FeCl3等作用下環(huán)化脫氫得到較大平面的石墨烯優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)完整； 有良好的加工性能； 產(chǎn)物具有質(zhì)量高、純度高； 缺點(diǎn)：反響復(fù)雜； 反響時(shí)間較長(zhǎng)； 需要用到催化劑，易造成環(huán)境污染化學(xué)合成法化學(xué)氣相沉積法 (CVD) 在二氧化硅基體外表使用陰極射線蒸發(fā)法沉積一層300nm厚的鎳金屬層，以其為基體，在石英管式爐中1000下通入由甲烷，氫氣，氨氣所組成的混合氣，并迅速驟冷至室溫得到石墨烯。 以金屬單晶或金屬薄膜為襯底，在其外表上高溫分解含碳化合物可以生成

5、石墨烯。 實(shí)驗(yàn)方法：影響CVD生長(zhǎng)因素目前生長(zhǎng)石墨烯的碳源主要是烴類氣體，如乙烯、乙炔等。碳源的選擇依據(jù)：烴類氣體的分解溫度、分解速度和分解產(chǎn)物等。碳源的選擇在很大程度上決定了生長(zhǎng)溫度，采用等離子體輔助等方法也可降低石墨烯的生長(zhǎng)溫度。1、碳源目前使用的生長(zhǎng)基體主要包括金屬箔或特定基體上的金屬薄膜。常用金屬主要有Ni、Cu、Ru 以及合金等。選擇依據(jù)：金屬的熔點(diǎn)、溶碳量、是否有穩(wěn)定的金屬碳化物等。這些因素決定了石墨烯的生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)機(jī)制和使用的載氣類型。2、生長(zhǎng)基體影響CVD生長(zhǎng)因素影響CVD生長(zhǎng)因素1氣壓：常壓、低壓、超低壓；2載氣類型：復(fù)原性氣體、惰性氣體(Ar、He)以及二者的混合氣體；3

6、生長(zhǎng)溫度：高溫(8000)、中溫(600一800)和低溫 (600 )，主要取決于碳源的分解溫度。3、生長(zhǎng)條件其他影響因素： 通氣量的變化、氣體中雜質(zhì)的影響、降溫速率優(yōu)點(diǎn)：制得二維平面的石墨烯薄膜；產(chǎn)率較高；質(zhì)量高； 可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)；應(yīng)用：可用來生產(chǎn)具有柔韌性的高導(dǎo)電透明電極； 適于納電子器件和透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用 。缺點(diǎn)：層數(shù)相對(duì)難以控制；轉(zhuǎn)移石墨烯步驟繁瑣且容易 產(chǎn)生缺陷；本錢高、工藝復(fù)雜、加工條件精確度 要求高 ?；瘜W(xué)氣相沉積法 沈陽材料科學(xué)國(guó)家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室提出采用貴金屬鉑作為生長(zhǎng)基體 ，鉑對(duì)甲烷和氫氣較強(qiáng)的催化裂解能力以及反響中低濃度甲烷和高濃度氫氣的使用是實(shí)現(xiàn)石墨烯低成核密度并最終制備

7、出大尺寸單晶石墨烯的關(guān)鍵。 其他思路：1、改變基體 使用其他金屬，如銅、鉑 從原理上來講，只要?dú)怏w分子中含有碳原子，容易斷鏈，就應(yīng)該能夠滿足試驗(yàn)的需求。很容易想到跟甲烷類似的其他碳?xì)浠衔?，比方乙烯。相比而說，乙烯中的碳?xì)滏I更容易斷鍵，反響所需要的溫度應(yīng)該更低。2、其他氣體的嘗試超生剝離法，切割碳納米管，電化學(xué)方法，電弧法等其他制備方法：石墨烯制備存在的問題：尋找能夠制備高質(zhì)量、大面積的石墨烯泡沫石墨烯制備 以泡沫金屬作為生長(zhǎng)基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯體材料。圖1 CVD方法制備的具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫材料。1)將金屬泡沫材料放進(jìn)真空管式爐內(nèi)，并在非

8、氧化性氣氛下進(jìn)行煅燒；2)采用化學(xué)氣相沉積法，在煅燒后的金屬泡沫材料上沉積石墨烯；3)將得到的石墨烯修飾的金屬泡沫材料中的泡沫金屬除去；然后將得到的泡沫材料依次用去離子水、乙醇、乙醚清洗，取出烘干，得到石墨烯泡沫。泡沫石墨烯制備操作步驟 石墨烯結(jié)構(gòu)： 石墨烯體材料完整地復(fù)制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無縫連接的方式構(gòu)成一個(gè)全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力、850 m2/g 的比外表積、99.7%的孔隙率和5 mg/cm3的極低密度圖1。優(yōu)點(diǎn)： 可控性好，易于放大；可通過改變工藝條件調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)、石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比外表積、密度和導(dǎo)電性；采用基體卷曲的方法，可制備出很大面積的石墨烯泡沫材料。 泡沫石墨烯制備1采用CVD，制備石墨烯薄膜；2在上述產(chǎn)物上附著有機(jī)膠體，得有機(jī)膠體/石墨烯/ 金屬箔片結(jié)合體