石墨烯的研究發(fā)展

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1、石墨烯的研究發(fā)展摘要:石墨烯是碳的又一同索異形體，具冇獨特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能，成為富勒烯和碳納米管之后的又一研究熱點。全面綜述了近兒年來石墨烯的制備方法，詳細討論了微機械剝離法、化學(xué)剝離法、化學(xué)合成法、外延生長法、電弧法、化學(xué)氣相沉積法的優(yōu)缺點，并針對制備方法存在的產(chǎn)量低、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、高污染等問題，提出了一些大規(guī)?？煽刂苽涓哔|(zhì)量石墨烯的建議。還結(jié)合石墨烯的結(jié)構(gòu)和特性，概括了石墨烯在復(fù)合材料、微電子、光學(xué)、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用進展，并展望了其主要研究方向和發(fā)展趨勢關(guān)鍵詞：石墨烯、制備方法、

2、運用。一、發(fā)展進程：石墨烯(Graphene)是一種由碳原了以sp2朵化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只冇一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，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，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維右墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。2013年4月，中科院蘇州納米所程國勝團隊與中科院遺傳與發(fā)育研究所戴建武團隊合作，成功開發(fā)擊新型石墨烯三維神經(jīng)支架材料，并系

3、統(tǒng)研究了石墨烯支架與神經(jīng)干細胞的相互作用。相關(guān)研究日前發(fā)表于《自然》子刊《科學(xué)報告》。據(jù)介紹，石墨烯為單層或少層碳原子組成的低維碳納米材料，具冇優(yōu)異的理化性質(zhì)，￡

4、2004年被發(fā)現(xiàn)以來，已迅速成為材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研究對象。同時，石墨烯能夠表現(xiàn)出良好的生物相容性，已被用于細胞成像、藥物輸運、干細胞工程及腫瘤治療等領(lǐng)域。二、石墨烯的制備：(1)微機械分離法這類方法是通過機械力從石墨晶體的表面剝離出石墨烯片層。Novoselov即是采用這種辦法來制備石墨烯，這種方法產(chǎn)生的石墨烯晶體結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷較少，可用于實驗

5、。然而這種方法的致命弱點是無法控制單層石墨烯的尺寸大小,無法應(yīng)用于實踐。"刃(2)氧化石墨還原法與石墨相比，氧化石墨由于擁有大量的輕基、竣基等基團，親水性較好。氧化石墨經(jīng)過適當(dāng)?shù)某暡ㄕ鹗幪幚?，極易在水溶液或者冇機溶劑中分散成均勻的單層氧化石墨懸濁液。將氧化石墨與水以lmg/mL的比例混合，用超聲波農(nóng)蕩至溶液清晰無顆粒狀物質(zhì),加入適量臍在100°C冋流24h,會產(chǎn)生懸浮的石墨烯片，這些右墨烯片可以沉淀在可彎曲的襯底頂部。這種方法可以大量生產(chǎn)石墨烯，然而被氧化的石墨難以被完全還原，將導(dǎo)致石墨烯某些性質(zhì)(如導(dǎo)電性)的不足。[

6、1,2.3](2)加熱SiC法通過加熱單品6H-SiC脫除Si,從而得到在SiC表而外延的石墨烯。將表而經(jīng)過氧化或112蝕刻后的SiC在高真空下通過電了轟擊加熱到1000°C以除掉表面的氧化物，升溫至1250°C?1450°C，恒溫1?20min,形成石墨烯薄片，其厚度由加熱溫度決定。這種方法得到的石墨烯有兩種，物理性質(zhì)受SiC襯底的影響很大，一種是生長在Si層上的石墨烯，由于和Si層接觸，這種石墨烯的導(dǎo)電性受到較大彩響，而生長在C層上的右墨烯則冇著極為優(yōu)良的導(dǎo)電能力。但這種方法制造的石墨烯難以被從SiC襯底上分離出來，

7、不能成為大量制造石墨烯的方法。[2.4](3)化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法是半導(dǎo)體工業(yè)中最為常用的沉積技術(shù)。其原理是將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)導(dǎo)入到一個反應(yīng)腔里進行化學(xué)反應(yīng)，生成一種新的物質(zhì)沉積在襯底表而。中科院化學(xué)研究所發(fā)明了一種方法。將帶有催化劑的襯底放入無氧反應(yīng)器中，使襯底溫度達到500?1200°C，向所屬反應(yīng)容器充入含碳物質(zhì)，得到石墨烯。催化劑為金屬或金屬化合物?？蔀榻?、銀、銅、鋅、鐵、鉆、銀、硫化鋅、氧化鋅、硝酸鐵、氯化鐵、氯化銅中的一種或任意組合。含碳物質(zhì)可為一氧化碳、甲烷、乙烘、乙醇、苯、卬苯、環(huán)己烷或猷菁屮的

8、一種或任意組合。⑺韓國成均館大學(xué)的洪秉熙領(lǐng)導(dǎo)的一個研究組生產(chǎn)出了高純度石墨烯薄膜，把它們貼在透明可彎曲的聚合物上，制成一個透明電極。這種電極可以取代顯示器上現(xiàn)在所使用的透明電極，價格卻比現(xiàn)在通常用的氧化鋼便宜的多。首先，他們在硅襯底上添加一層300納米厚的銀。然后，他們在1000攝氏度的甲烷中加熱這一物質(zhì)，再將它迅速降至室內(nèi)溫度。這一過程能夠在鎳層的上部沉積出6或10層石墨烯。用制作鎳層圖形的方式，制備出圖形化的石墨烯薄膜。⑻Srivastava等采用微波增強化學(xué)氣相沉積法，在Ni包裹的Si襯底上生長岀了20nni左右厚

9、度的花瓣狀的石墨片，也有一些其他的科學(xué)家利用類似方法制造出了石墨烯?；瘜W(xué)氣相沉積法是應(yīng)用最廣泛的一種大規(guī)模工業(yè)化制備半導(dǎo)體薄膜材料的方法。由于有著廣泛應(yīng)用范圍，而且，生產(chǎn)工藝十分完善，因此，它被認(rèn)為是最有前途的大規(guī)模制備石墨烯片的方法。但口前使用該方法制備石墨烯片仍有一些不足之處亟待解決。例如，研究表明，目前使用這種