石墨烯的制備及其表征分析

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1、石墨烯的制備與表征分析呂生華，邱超超（陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西西安，710021）摘要:本文重點(diǎn)分析了制備石墨烯的幾種不同方法，包括：機(jī)械剝離法、石墨插層法、電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法、溶劑剝離法與溶劑熱法等，并且評(píng)述了這幾種方法的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題。介紹了石墨烯的幾種表征方法，并闡述了其未來(lái)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：石墨烯；表征；制備；性能Abstract:Preparationmethodsofgraphenearemainly:mechanicalexfoliationmethod,graphitei

2、ntercalationmethod,arcdischargemethod,chemicalvapordepositionmethod,solventexfoliationmethodandsolvothermalmethod,etc.Thecharacteristicsandexistentialproblemsofabovementionedpreparationmethodsareanalyzed.Finally,severalcharacterizationmethodsofgrapheneares

3、ummarized,andthefuturedevelopmentofgrapheneisalsomentioned.Keywords:graphene;characterization;preparation;property1引言每隔幾年,總會(huì)有一些具有特殊性質(zhì)的材料被發(fā)現(xiàn)并引起科學(xué)界的轟動(dòng),比較典型的例子是高溫超導(dǎo)體及碳納米管的發(fā)現(xiàn)。而于2004年被發(fā)現(xiàn)的石墨烯[1],由于具有許多特殊的性質(zhì),一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即毫無(wú)疑問(wèn)地成為目前材料科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。它的出現(xiàn)徹底顛覆了70年前由Landau和Peierls提出

4、的絕對(duì)二維晶體是熱力學(xué)不穩(wěn)定的且不可能存在的傳統(tǒng)理論。石墨烯是由碳原子按正六邊形緊密排列成蜂窩狀晶格的單層二維平面結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭梢杂墒┚沓闪憔S的富勒烯及一維的碳納米管以及堆積成三維的石墨，所以它被稱之為“石墨之母”。石墨烯是單層原子厚度的石墨，具有二維蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列也保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于石墨烯片平面內(nèi)π軌道的存在，電子可在晶體中自由移動(dòng)，使得石墨烯具有

5、十分優(yōu)異的電子傳輸性能。由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，自2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究組發(fā)現(xiàn)后[2]，不斷有新的成果被報(bào)道。Fang課題組[3]發(fā)現(xiàn)石墨烯和PMMA較大熱膨脹系數(shù)差別是產(chǎn)生周期性褶皺原因，這些周期性褶皺會(huì)影響石墨烯的電學(xué)性質(zhì)。美國(guó)伊利諾大學(xué)香檳分校的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[4]，石墨烯邊緣的晶體取向會(huì)對(duì)其導(dǎo)電性能產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯是一種“透明”的導(dǎo)體，可以用來(lái)替代現(xiàn)在的液晶顯示器件的ITO透明電極。納米材料石墨烯，因其具有很多特殊性質(zhì)，比如零能隙，反

6、常的量子霍耳效應(yīng)，朗道量子性等，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者從凝聚態(tài)電子結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)性質(zhì)到相對(duì)論的研究等眾多方面的研究興趣。雖然石墨烯剛剛被發(fā)現(xiàn)不久，目前也已經(jīng)有了一定的應(yīng)用領(lǐng)域，但是制備石墨烯的方法都比較復(fù)雜，整個(gè)工藝過(guò)程很難控制，且只能生產(chǎn)少量的石墨烯納米薄膜。雖然石墨烯作為工程材料具有很大的應(yīng)用前景，然而如何有效方便地制備出高質(zhì)量二維石墨烯納米薄膜是發(fā)展研究和應(yīng)用的關(guān)鍵所在。因此，應(yīng)尋找一種快速的、可控的高質(zhì)量石墨烯納米薄膜的制備工藝。72石墨烯的制備方法2.1微機(jī)械剝離法2004年,石墨烯的發(fā)現(xiàn)者Geim等[5]

7、用一種極為簡(jiǎn)單的方法--微機(jī)械剝離法成功地制備并觀測(cè)到單層石墨烯。他們首先用光刻膠將高定向熱解石墨轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上,然后用透明膠帶進(jìn)行反復(fù)粘貼將高定向熱解石墨剝離,隨后將粘有石墨烯片的玻璃襯底放入丙酮溶液中超聲振蕩。再將單晶硅片放入丙酮溶劑中,單層石墨烯片會(huì)由于范德華力或毛細(xì)管作用吸附在單晶硅片上,從而成功地制備了二維的石墨單層。最近,Knieke等[6]利用濕法研磨法在室溫下研磨普通石墨粉,成功的對(duì)石墨的片層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剝離,制備了單層和多層的石墨烯片。為了防止剝離出來(lái)的石墨烯片的團(tuán)聚,研磨過(guò)程中加入陰離子

8、表面活性劑十二烷基硫酸鈉以穩(wěn)定石墨烯片。該法工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,重復(fù)性差,難以大規(guī)模制備。2.2化學(xué)還原石墨烯氧化物法氧化石墨一般是通過(guò)最常用的Hummers法進(jìn)行制備[7]。該法以石墨粉為原料,經(jīng)過(guò)強(qiáng)氧化劑濃硫酸和高錳酸鉀的氧化,石墨的層間被插入了羥基、環(huán)氧及羧基等含氧基團(tuán),拉大了石墨的層間距,從而得到了石墨氧化物。然后通過(guò)超聲作用,將石墨氧化物剝離得到單層的石墨烯氧化物(GO)。對(duì)GO進(jìn)行還原,可