石墨烯的物理特性及制備方法

石墨烯的物理特性及制備方法

石墨烯是碳原子緊密沉積在二維辦公廳結(jié)構(gòu)中的新材料。這是一個用雙鏈碳、零碳那米管、三維碳石墨等碳材料形成的基本結(jié)構(gòu)單元（碳通過雙鏈連接其他原子），具有一些奇怪的物理特征。這是對理論力學(xué)現(xiàn)象的研究的重要路徑。由于電子在石墨烯中的傳輸阻力很小，在亞微米距離移動時不散，并且具有良好的電子傳輸性質(zhì)。它具有良好的強(qiáng)度、抗壓性。根據(jù)該試驗，每100nm距離的最大壓力可達(dá)到2.9n。石墨烯獨(dú)特的帶帶結(jié)構(gòu)使空孔和電子相互分離，導(dǎo)致新的電子傳導(dǎo)現(xiàn)象，如量化干涉效應(yīng)、不規(guī)則膽紅素效應(yīng)等。石墨烯的理論研究已有60多年的歷史,但直至2004年,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫,利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得真正能夠獨(dú)立存在的二維石墨烯晶體,并發(fā)現(xiàn)了石墨烯載流子的相對論粒子特性,才引發(fā)石墨烯研究熱。這以后,制備石墨烯的新方法層出不窮,人們發(fā)現(xiàn),將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時不遠(yuǎn)了。一、國外石墨烯應(yīng)用研究1.碳化硅法或稱溶蝕法石墨烯的制備方法主要有機(jī)械法和化學(xué)法2種。機(jī)械法包括微機(jī)械分離法、取向附生法和加熱碳化硅法,化學(xué)法包括化學(xué)還原法與化學(xué)解理法等。微機(jī)械分離法是直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來,可獲得高品質(zhì)石墨烯,且成本低,但缺點(diǎn)是石墨烯薄片尺寸不易控制,無法可靠地制造出長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本,不適合量產(chǎn)。取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯,石墨烯性能令人滿意,但往往厚度不均勻。加熱碳化硅法能可控地制備出單層或多層石墨烯,是一種非常新穎、對實現(xiàn)石墨烯的實際應(yīng)用非常重要的制備方法,但制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難?；瘜W(xué)還原法能夠低成本制備,但很難制備沒有晶界的高品質(zhì)石墨烯薄片?；瘜W(xué)解理法是利用氧化石墨通過熱還原方法制備石墨烯的方法,是一種重要的石墨烯制備方法?；瘜W(xué)氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法,其最大優(yōu)點(diǎn)在于可制備出面積較大的石墨烯片,缺點(diǎn)是必須在高溫下完成,且在制作過程中,石墨烯膜有可能形成缺陷。而經(jīng)過改進(jìn)的微波等離子體化學(xué)氣相沉積法,其處理溫度較低,只有大約400℃,但是仍然不適于量產(chǎn)。韓國、美國、日本等都在進(jìn)行石墨烯制備方面的研究,如韓國科學(xué)家使用化學(xué)氣相沉積法,在制備大尺寸、高質(zhì)量石墨烯薄膜方面取得了重大突破,生產(chǎn)出高純度石墨烯薄膜,還把它們貼在透明可彎曲的聚合物上,制成了一個透明電極——這算得上是化學(xué)氣相沉積法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一;美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法,制作出一種新型的石墨烯納米結(jié)構(gòu)——介孔石墨烯,可以用于大規(guī)模生產(chǎn)以介孔石墨烯為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體集成電路;日本研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜。目前,國外石墨烯的研究開始轉(zhuǎn)入如何降低成本并大規(guī)模制備階段。2.石墨烯的應(yīng)用(1)萬km2.3萬百分點(diǎn)長當(dāng)?shù)仉娞菔┎粌H可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料,還可以制造出超堅韌的防彈衣,甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的3.7萬km(2.3萬英里)長太空電梯成為現(xiàn)實。人類通過“太空電梯”進(jìn)入太空,所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅韌材料,美國NASA此前還曾發(fā)出了400萬美元的懸賞。(2)石墨烯晶體的生產(chǎn)硅讓我們邁入了數(shù)字化時代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中,石墨烯備加引人矚目。石墨烯的超高強(qiáng)度、透光性(因為極薄)和超強(qiáng)導(dǎo)電性,使之成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當(dāng)中。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍,因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。以國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)為例,其已研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管,IBM公司于2010年12月發(fā)布了與美國麻省理工學(xué)院的共同研究成果——在碳化硅基板上形成的柵長240nm的石墨烯場效應(yīng)晶體管,并驗證其截止頻率為230GHz。再者,英國科學(xué)家開發(fā)出了可取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體的超材料石墨烯,包括英國國家物理實驗室在內(nèi)的跨歐研究小組開發(fā)出的石墨烯材料,將成為微型芯片和觸摸屏等未來高速電子產(chǎn)品的關(guān)鍵成分。(3)石墨烯光電探測器石墨烯還可用于光子傳感器,這種傳感器用于檢測光纖中攜帶的信息,現(xiàn)在,這個角色還在由硅擔(dān)當(dāng),但硅的時代似乎就要結(jié)束。2010年10月,IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器。英國劍橋大學(xué)及法國CNR的研究人員已經(jīng)制造出了超快鎖模石墨烯激光器,這項研究成果顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。(4)半導(dǎo)體材料石墨烯是納米電路的理想材料,其中,高傳導(dǎo)石墨烯是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料,是將來應(yīng)用于納米電子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃爾貝克公司開發(fā)了用于導(dǎo)電涂層的高傳導(dǎo)石墨烯,這將為石墨烯在電子工業(yè)中應(yīng)用的商業(yè)化鋪平道路。(5)薄膜材料的利用透明的石墨烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽能電池。美國魯特格大學(xué)開發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù),所制造的石墨烯薄膜只有幾厘米寬、l~5nm厚,可用于有機(jī)太陽能電池;美國南加州大學(xué)的研究人員已將石墨烯用于制作有機(jī)太陽電池。石墨烯有機(jī)太陽能電池造價低,而且柔韌性好,因此研究人員看好其應(yīng)用前景,例如這種石墨烯有機(jī)太陽能電池可做成家用窗簾,甚至可以做成會發(fā)電的衣服。目前研究人員已能制作多種尺寸的石墨烯,其中面積最大的為150cm2。(6)利用石墨烯制造風(fēng)力發(fā)動機(jī)和飛機(jī)石墨烯在增強(qiáng)復(fù)合材料方面超越了碳納米管。美國倫斯勒理工學(xué)院的研究者發(fā)表的3項新研究成果表明,石墨烯可用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼的增強(qiáng)復(fù)合材料。此外,石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體,在生物技術(shù)方面也可得到應(yīng)用……,如此之應(yīng)用,在此不再一一列舉。二、石墨烯的應(yīng)用我國的研究人員也正在石墨烯領(lǐng)域開展積極的探索。例如,中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在石墨烯研究方面獲得系列進(jìn)展,他們針對石墨烯的制備、化學(xué)修飾、性能研究等開展了系列研究工作,并積極探索了石墨烯在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用,取得系列創(chuàng)新性的研究進(jìn)展,還研制開發(fā)出多種高強(qiáng)度、高韌性樹脂材料等;此外,該所在石墨烯透明電極、生物傳感等方面探索獲得的關(guān)研究結(jié)果,引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。2008年12月7日在南開大學(xué)舉行的“全國石墨烯/單層石墨研討會”,深入探討了石墨烯/單層石墨的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向,使我國在該領(lǐng)域向更高的學(xué)術(shù)和研究水平更邁進(jìn)了一步。1.石墨烯的合成及結(jié)構(gòu)2008年,中國科學(xué)院物理研究所研究人員采用剝離-再嵌入-擴(kuò)漲的方法成功制備了高質(zhì)量石墨烯,中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院的計算結(jié)果表明,該石墨烯的理想強(qiáng)度為110~121GPa,這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實驗室納米和界面催化研究組,在多年碳材料研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料,通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)石墨烯材料的新途徑,對實現(xiàn)石墨烯的實際應(yīng)用具有重要意義。他們通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制,可以實現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控,為石墨烯作為新型電極材料以及催化材料的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。值得一提的是,我國科學(xué)家率先實現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù),這是我國科學(xué)家在該研究領(lǐng)域中獨(dú)具特色的工作,相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在國際知名雜志AdvancedMaterials上。2.石墨烯的應(yīng)用(1)烯納米生物傳感器2010年3月,在中國科學(xué)院院長特別基金和國家自然基金項目的支持下,國家納米科學(xué)中心的石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國家納米科學(xué)中心和美國哈佛大學(xué)合作,成功制備了石墨烯與動物心肌細(xì)胞的人造突觸,建立了一維、二維納米材料與細(xì)胞相結(jié)合的獨(dú)特研究體系,為生物電子學(xué)的研究帶來了新的機(jī)遇,相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在2010年3月的國際知名期刊NanoLetters上。(2)氧化石墨烯對大腸桿菌的抗菌性能2008年,中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實驗室就開始了新型石墨烯納米抗菌材料方面的研究工作,探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的抗菌性源于其對大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞,氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后,對其抑制率超過90%。更重要的是,氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料,而且對哺乳動物細(xì)胞產(chǎn)生的毒性很小。此外,通過抽濾法制備成的紙片樣宏觀氧化石墨烯膜,也能有效抑制大腸桿菌的生長。由于氧化石墨烯的制備簡便、成本低廉,這種新型的碳納米材料有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(3)石墨烯薄膜的作用中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室先進(jìn)炭材料部的研究人員,探索了石墨烯在場發(fā)射體、超級電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用。探索結(jié)果表明,石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場發(fā)射特性,低的開啟電場和閾值、良好的場發(fā)射穩(wěn)定性和均勻