石墨烯的潜在应用领域及其制备方法调研报告

1、石墨烯的潜在应用领域及其制备方法调研报告吴敬中科院上海技术物理争辩所石墨烯是以 sp2 轨道杂化的碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝 1：翘曲成为零维0D的富勒烯fulleren、卷成一维1碳纳米管carbon nanotube、堆垛成三维的石墨graphit。1 石墨烯构造图 Geim 等人觉察单层石墨烯以前，严格的的。2022年，Geim等人用简洁的微机械剥离法micromechanical cleavage制得了结晶性很好且格外稳定的单原子层厚度的碳膜2界，随后这一型碳材料成为材料学和物理学领域的争辩热点。材料中最薄但最结实的3，且其中的载流子表现出巨大的迁移率4、载流子有限质量为

2、零5、在室温下电子自由传输距离可到达数微米而不发生散射6。石墨7和高机械强度3。另外，石墨烯是争辩相对论量子现象的完善平台，由于在石墨烯中电子的传输过程遵循狄拉克方程5。此外，通过物理或化学手段可以对石墨烯的电子构造和性能进展有效的调控，实现更为丰富的功能和应用。比方，可以进展化学修饰、化学掺杂、外表官能化、生成衍生物等。不远的将来就能实现的应用领域进展说明。1、作为透亮导电电极石墨烯良好的导电性能和透光性能使之在透亮导电电极方面有格外好的应用前景，比方用于触摸屏, 液晶显示, 有机光伏电池, 以及有机发光二极管中。抱负的单层石墨烯在可见光波段为完全透亮的。 特别是比照此前常用材料掺铟石墨烯有

3、优越的机械强度和柔韧性8,9。目前，已有通过化学气相沉积的方法将石墨烯制成光伏器件的阳极，并得到高达 1.71%能量转换效率10。2、单分子探测阶梯式的发生变化11械应力的探测。3、复合型材料1%的微米级石墨烯晶粒的体积填充率就可以制备导电聚合物复合材料12。4、在电池中的应用由于具有很大的外表积-体积比和很高的电导率，石墨烯粉体材料可以用作电池电极材料以提高电池效率。5、在光电子学领域的应用 100nm 长的 赫兹频率波段13。最近争辩说明石墨烯中存在磁电阻回线14和双极子超流15现象，使得石墨烯可用于开发自旋阀和超导场效应管等器件。特别是电子的高迁移率使得石墨烯可以用于弹道输运晶体管 (b

4、allistictransistor), 并且已经用它制造出晶体管原型器件4，显示这种材料有可能取代Si基材料，为进展超高速计算机芯片带来突破。6、生物医药应用由于石墨烯具有单原子层构造, 其比外表积很大, 格外适合用作药物载体。Dai 等首先制备了具有生物相容性的聚乙二醇功能化的石墨烯, 使石墨烯具有很好的水溶性, 并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散; 然后利用- 相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38负载到石墨烯上16烯在生物医药方面的应用争辩。7、氢存储争辩说明石墨烯有巨大的氢存储力量17。个重要课题。目前主要有微机械剥离法、加热SiC单晶法、化学气相沉积法、化学复原石

5、墨烯氧化物等方法。1、微机械剥离法微机械剥离法是直接将 石墨烯薄片从较大的 石墨晶体上剪裁下来。Novoselov等人2承受该方法首次制得只有单原子厚的石墨烯层，并转移到Si衬石墨烯的工业化进展道路。2SiC 单晶法 具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加 125014501min20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探究， Berger 等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。在 100 层的多层石墨烯。其厚度由加热温度打算Emtsev 等人19对该方 可以直接作为绝缘衬底而不用再把石墨烯层转移SiC 晶体外表在高温加热过程中外表简洁发生重构，导致外表构

6、造较为简单，难于获得大面积、厚度均一的石墨烯。3、金属外表化学沉积生长法 积(CVD)1000的温度下，在CH4H2 气氛下进展影响22。生长完毕后，还需要把沉积在金属薄片上的石墨烯转移到其它绝缘衬底上以便用于实际应用中。相比较而言, 化学气相沉积法供给了一条有效的途径来可控地合成和制备石墨烯薄膜. 以金属单晶或金属薄膜为衬底, 在其外表上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯构造, 通过衬底的选择、生长的温度、相沉积过程引起了广泛的关注。4、化学复原石墨烯氧化物法由于石墨烯氧化物存在大量的含氧官能团, 从而表现为亲水性, 可以高度分散在水溶液或其他有机溶剂中 , 利用复原去氧反响或简洁加热处

7、理能够将其转变成石墨烯23-26。 由于石墨烯氧化物可以通过氧化石墨材料的过程大量、高效地制备, 因此石墨烯氧化物是大规模制备石墨烯材料的另一条有效途径。材料根底，将会极大的推动石墨烯的有用化进程。直接在无定型衬底上制备石墨烯主要有以下几个难点：1SiC晶体法制备石墨烯，其“碳”源来自于SiC本身；也不同于金属外表化学沉积生长法，其“碳”源来自于 CH4，在过渡金属的强吸附和催化下 CH4 中的碳原子和C 原子吸附于金属外表上。毫无疑问，成石墨烯层。2、把握碳原子以平面六边形方式沉积于衬底上3、碳原子沉积厚度及均匀性的把握 定型衬底上制备，缺少把握膜层厚度的机制。 度左右。在这种条件下，石墨会

8、蒸发，生成的产物有富勒烯C60、无定型碳和碳纳米管。或尝试在高电压下使得碳氢化合物碳原子以平面六角形的形式沉积于衬底之上形成石墨烯。以上这些只是初步的想法，是否切实可行还有待试验上的摸索和验证。参考文献Geim A K, Novoselov K S. The rise of graphene. Nat. Mat. 6, 183 (2022).Novoselov K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306,666 (2022).Lee C, Wei X D, Kysar J W,

9、 et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strengthof monolayer graphene. Science 321, 385 (2022).Berger C, Song Z M, Li X B, et al. Electronic confinement and coherence in patternedepitaxial graphene. Science 312, 1191 (2022).Novoselov, KS; Geim, AK; Morozov, SV, et al. Two-dimensi

10、onal gas of massless Diracfermions in graphene. Nature 438, 197 (2022).A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov and A. K. Geim, The electronicproperties of grapheme. Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2022).Balandin AA, Ghosh S, Bao W Z, et al. Superior thermal conductivity of single-laye

11、r graphene.Nano Lett. 8, 902 (2022).Wang, X. et al. Transparent, Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized SolarCellsNano Lett. 8, 323 (2022).Eda G, Fanchini G, Chhowalla M, Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as atransparent and flexible electronic material. Nat Nanotechnol

12、. 3, 270 (2022).Wang, Yu et al. Large area, continuous, few-layered graphene as anodes in organicphotovoltaic devicesApplied Physics Letters 95, 063302 (2022).F. Schedin et al. Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene. Naturematerials 6, 652 (2022).S. Stankovichet al. Graphene-base

13、d composite materials. Nature 442, 282 (2022).Y. M. Lin et al. Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies. Nano Lett. 9,422 (2022).E. W. Hillet al. Graphene spin valve devices. IEEE Trans. Magn. 42, 2694 (2022).Hubert B. H. et al. Bipolar supercurrent in grapheme. Nature 446,56 (2022

14、).Liu Z, Robinson J T, Sun X M, Dai H J. PEGylated nanographene oxide for delivery ofwater-insoluble cancer drugs. J Am Chem Soc 130, 10876 (2022).J. O. Sofo et al. Graphane: a two-dimensional hydrocarbon. Phys. Rev. B 75, 153401 (2022).Berger C. et al. Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas

15、properties and a route towardgrapheme-based nanoelectronics. J. Phys. Chem. B 108, 19916 (2022).EmtsevK.V.etal.Towards wafer-size graphemelayersbyatmosphericpressuregraphitization of silicon carbide. Nat. Mat. 8, 203 (2022).P. W. Sutter et al. Epitaxial graphene on ruthenium. Nat. Mat. 7, 406 (2022)

16、.A. Reina et al. Large area, few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapordeposition. Nano Lett. 9, 30 (2022).Qingkai Yu, et al. Graphenen segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Appl.Phys. Lett. 93, 113103 (2022).Wu Z. S. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliatedgraphite oxide. Carbon 45, 1558 (2022).Park S. et al. Chemical methods for the production of graphe