石墨烯的制备方法及应用

人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因在二维石墨烯材料的开创性实验而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,从2006年开始,研究论文急剧增加,作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料,旨在应用石墨烯的研发也在全球范围内急剧增加,美国、韩国,中国等国家的研究尤其活跃。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。

至今为止,已发现石墨烯具有非凡的物理及电学性质,如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。石墨烯是零带隙半导体,有着独特的载流子特性,为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径;电子在石墨烯中传输的阻力很小,在亚微米距离移动时没有散射,具有很好的电子传输性质。

石墨烯韧性好,有实验表明,它们每100nm距离上承受的最大压力可达2.9N,是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离,导致了新电子传导现象的产生,如量子干涉效应、不规则量子霍尔效应等。Novoselov等观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应,使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很多方面具备超越现有材料的特性,具体如图1所示[1],日本企业的一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。石墨烯的出现,有望从构造材料到用于电子器件的功能性材料等广泛领域引发材料革命。

目前有关石墨烯的制备方法,国内外有较多的文献综述[2],石墨烯的制备主要有物理方法和化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料,通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯,此法原料易得,操作相对简单,合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少,但费时、产率低下,不适于大规模生产。目前实验室用石墨烯主要多用化学方法来制备,该法最早以苯环或其它芳香体系为核,通过多步偶联反应取代苯环或大芳香环上6个,循环往复,使芳香体系变大,得到一定尺寸的平面结构的石墨烯(化学合成法)[3]。2006年Stankovich等[4]首次用肼还原脱除石墨烯氧化物(grapheneoxide,以下简称GO)的含氧基团从而恢复单层石墨的有序结构(氧化还原法),在此基础上人们不断加以改进,使得氧化还原法(含氧化修饰还原法)成为最具有潜力和发展前途的合成石墨烯及其材料的方法[5]。除此之外,晶体外延生长、化学气相沉积也可用于大规模制备高纯度的石墨烯。本文重点总结近三年化学法,尤其是氧化还原法制备石墨烯的研究进展,并对制备石墨烯的各种途径的优缺点加以评述。

微机械剥离法是最早用于制备石墨烯的物理方法。Geim等[1]在1mm厚的高定向热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀,然后将其粘到玻璃衬底上,接着在上面贴上1μm厚湿的光刻胶,经烘焙、反复粘撕,撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶液中洗去,最后将剩余在玻璃衬底上的石墨放入丙醇中进行超声处理,从而得到单层石墨烯。虽然微机械剥离是一种简单的制备高质量石墨烯的方法,但是它费时费力,难以精确控制,重复性较差

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