石墨烯的物理特性及制备方法

石墨烯的物理特性及制备方法

石墨烯是碳原子紧密沉积在二维办公厅结构中的新材料。这是一个用双链碳、零碳那米管、三维碳石墨等碳材料形成的基本结构单元（碳通过双链连接其他原子），具有一些奇怪的物理特征。这是对理论力学现象的研究的重要路径。由于电子在石墨烯中的传输阻力很小，在亚微米距离移动时不散，并且具有良好的电子传输性质。它具有良好的强度、抗压性。根据该试验，每100nm距离的最大压力可达到2.9n。石墨烯独特的带带结构使空孔和电子相互分离，导致新的电子传导现象，如量化干涉效应、不规则胆红素效应等。石墨烯的理论研究已有60多年的历史,但直至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,利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体,并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性,才引发石墨烯研究热。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。一、国外石墨烯应用研究1.碳化硅法或称溶蚀法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法,化学法包括化学还原法与化学解理法等。微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来,可获得高品质石墨烯,且成本低,但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制,无法可靠地制造出长度足供应用的石墨薄片样本,不适合量产。取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,石墨烯性能令人满意,但往往厚度不均匀。加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯,是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法,但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。化学还原法能够低成本制备,但很难制备没有晶界的高品质石墨烯薄片。化学解理法是利用氧化石墨通过热还原方法制备石墨烯的方法,是一种重要的石墨烯制备方法。化学气相沉积法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法,其最大优点在于可制备出面积较大的石墨烯片,缺点是必须在高温下完成,且在制作过程中,石墨烯膜有可能形成缺陷。而经过改进的微波等离子体化学气相沉积法,其处理温度较低,只有大约400℃,但是仍然不适于量产。韩国、美国、日本等都在进行石墨烯制备方面的研究,如韩国科学家使用化学气相沉积法,在制备大尺寸、高质量石墨烯薄膜方面取得了重大突破,生产出高纯度石墨烯薄膜,还把它们贴在透明可弯曲的聚合物上,制成了一个透明电极——这算得上是化学气相沉积法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一;美国加州大学洛杉矶分校研究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法,制作出一种新型的石墨烯纳米结构——介孔石墨烯,可以用于大规模生产以介孔石墨烯为基础的半导体集成电路;日本研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜。目前,国外石墨烯的研究开始转入如何降低成本并大规模制备阶段。2.石墨烯的应用(1)万km2.3万百分点长当地电梯石墨烯不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料,还可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的3.7万km(2.3万英里)长太空电梯成为现实。人类通过“太空电梯”进入太空,所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料,美国NASA此前还曾发出了400万美元的悬赏。(2)石墨烯晶体的生产硅让我们迈入了数字化时代,但研究人员仍然渴望找到一些新材料,让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中,石墨烯备加引人瞩目。石墨烯的超高强度、透光性(因为极薄)和超强导电性,使之成为了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍,因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。以国际商业机器公司(IBM)为例,其已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管,IBM公司于2010年12月发布了与美国麻省理工学院的共同研究成果——在碳化硅基板上形成的栅长240nm的石墨烯场效应晶体管,并验证其截止频率为230GHz。再者,英国科学家开发出了可取代传统半导体的超材料石墨烯,包括英国国家物理实验室在内的跨欧研究小组开发出的石墨烯材料,将成为微型芯片和触摸屏等未来高速电子产品的关键成分。(3)石墨烯光电探测器石墨烯还可用于光子传感器,这种传感器用于检测光纤中携带的信息,现在,这个角色还在由硅担当,但硅的时代似乎就要结束。2010年10月,IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器。英国剑桥大学及法国CNR的研究人员已经制造出了超快锁模石墨烯激光器,这项研究成果显示了石墨烯在光电器件上大有可为。(4)半导体材料石墨烯是纳米电路的理想材料,其中,高传导石墨烯是一种性能优异的半导体材料,是将来应用于纳米电子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃尔贝克公司开发了用于导电涂层的高传导石墨烯,这将为石墨烯在电子工业中应用的商业化铺平道路。(5)薄膜材料的利用透明的石墨烯薄膜可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术,所制造的石墨烯薄膜只有几厘米宽、l~5nm厚,可用于有机太阳能电池;美国南加州大学的研究人员已将石墨烯用于制作有机太阳电池。石墨烯有机太阳能电池造价低,而且柔韧性好,因此研究人员看好其应用前景,例如这种石墨烯有机太阳能电池可做成家用窗帘,甚至可以做成会发电的衣服。目前研究人员已能制作多种尺寸的石墨烯,其中面积最大的为150cm2。(6)利用石墨烯制造风力发动机和飞机石墨烯在增强复合材料方面超越了碳纳米管。美国伦斯勒理工学院的研究者发表的3项新研究成果表明,石墨烯可用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。此外,石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体,在生物技术方面也可得到应用……,如此之应用,在此不再一一列举。二、石墨烯的应用我国的研究人员也正在石墨烯领域开展积极的探索。例如,中国科学院长春应用化学研究所在石墨烯研究方面获得系列进展,他们针对石墨烯的制备、化学修饰、性能研究等开展了系列研究工作,并积极探索了石墨烯在众多领域的应用,取得系列创新性的研究进展,还研制开发出多种高强度、高韧性树脂材料等;此外,该所在石墨烯透明电极、生物传感等方面探索获得的关研究结果,引起国内外同行的广泛关注。2008年12月7日在南开大学举行的“全国石墨烯/单层石墨研讨会”,深入探讨了石墨烯/单层石墨的研究现状和发展方向,使我国在该领域向更高的学术和研究水平更迈进了一步。1.石墨烯的合成及结构2008年,中国科学院物理研究所研究人员采用剥离-再嵌入-扩涨的方法成功制备了高质量石墨烯,中国科学院数学与系统科学研究院的计算结果表明,该石墨烯的理想强度为110~121GPa,这意味着石墨烯是目前人类已知的最为牢固的材料。中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室纳米和界面催化研究组,在多年碳材料研究的基础上开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料,通过高温裂解规模制备高品质石墨烯材料的新途径,对实现石墨烯的实际应用具有重要意义。他们通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制,可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控,为石墨烯作为新型电极材料以及催化材料的研究和应用奠定了基础。值得一提的是,我国科学家率先实现基于石墨烯的各向异性刻蚀技术,这是我国科学家在该研究领域中独具特色的工作,相关结果已发表在国际知名杂志AdvancedMaterials上。2.石墨烯的应用(1)烯纳米生物传感器2010年3月,在中国科学院院长特别基金和国家自然基金项目的支持下,国家纳米科学中心的石墨烯纳米生物传感器研究取得突破。国家纳米科学中心和美国哈佛大学合作,成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触,建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系,为生物电子学的研究带来了新的机遇,相关研究成果已经发表在2010年3月的国际知名期刊NanoLetters上。(2)氧化石墨烯对大肠杆菌的抗菌性能2008年,中国科学院上海应用物理研究所物理生物学实验室就开始了新型石墨烯纳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,发现氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏,氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h后,对其抑制率超过90%。更重要的是,氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料,而且对哺乳动物细胞产生的毒性很小。此外,通过抽滤法制备成的纸片样宏观氧化石墨烯膜,也能有效抑制大肠杆菌的生长。由于氧化石墨烯的制备简便、成本低廉,这种新型的碳纳米材料有望在环境和临床领域得到广泛应用。(3)石墨烯薄膜的作用中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料部的研究人员,探索了石墨烯在场发射体、超级电容器、锂离子电池和透明导电膜等方面的应用。探索结果表明,石墨烯薄膜具有与碳纳米管薄膜相比拟的场发射特性,低的开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀