石墨烯材料的研究现状

摘要 石墨烯是由单层碳原子构成的新型二维晶体材料。在过去的几年里, 这种独特的单原子层结构展现了许多奇特的物理化学性质, 并且已经在微电子、量子物理、材料和化学等领域表现出优异的性能和广泛的应用前景, 使碳材料继碳纳米管后再次成为国内外的研究热点。

关键词 石墨烯 制备 应用现状

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的光学、热力学、力学性能、高的电子迁移率、高比表面积和奇特的电学性能, 例如室温下半整数的量子霍尔效应、双极性的电子场效应及弹道电子传输效应、可调带隙、高弹性等, 这些优异的性能使石墨烯具有广泛的应用前景。 1 石墨烯的制备方法

由于石墨烯优良的物理化学性能和广泛的应用前景, 极大地促进了石墨烯制备技术的快速发展, 为石墨烯的研究提供了原料上的保障。石墨烯的制备主要有两种途径：一种是采用各种物理化学手段剥离石墨的由上而下的方法；另一种为由小分子自下而上合成石墨烯的方法。此外, 由碳纳米管制备石墨烯也得到广泛关注。

1.1微机械分离法[1]

以1mm 厚的高取向高温热解石墨为原料, 在石墨片上用干法氧等离子体刻蚀出一个5Lm 深的平台( 尺寸为20Lm) 2mm, 大小不等) , 在平台的表面涂上一层2Lm 厚的新鲜光刻胶, 焙固后, 平台面附着在光刻胶层上, 从石墨片上剥离下来。用透明光刻胶可重复地从石墨平台上剥离出石墨薄片, 再将留在光刻胶里的石墨薄片在丙酮中释放出来, 将硅片浸泡其中, 提出, 再用一定量的水和丙酮洗涤。这样, 一些石墨薄片就附着在硅片上。将硅片置于丙酮中, 超声除去较厚的石墨薄片, 而薄的石墨薄片( d< 10nm) 就被牢固地保留在SiO2 表面上。机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法。这种方法的缺点是: 费时费力, 难以精确控制,重复性较差, 难以大规模制备。

1.2氧化石墨还原法

氧化还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

1.3热分解SiC法

该方法是在单晶6H-SiC的Si-ter-minated(00001)面上通过热解脱除Si来制取石墨烯。具体过程是将表面经过氧化或氢蚀刻后的样品在高真空下(基准压强为1.32×10-8Pa)通过电子轰击加热到1000℃以除掉表面的氧化物(多次去除氧化物以改善表面质量), 用俄歇电子能谱确定氧化物被完全去除后,升温至1250-1450℃,恒温1-20min,形成石墨烯薄片,其厚度由加热温度决定。Claire Berger等[2]利用此种方法制备出单层和多层石墨烯薄片并研究了其性能。

1.4溶剂热法

溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中,采用有机溶剂作为反应介质通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度),在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有

效方法。

1.5化学剥离法

Stanford大学戴宏杰教授所领导的研究小组在利用化学法剥离HOPG制备石墨烯纳米带方面做了重要工作,他们的方法十分简单首 先将石墨在和中进行氧化处理,然后在Ar气氛下(3%氢)快速加热至1000℃,在此条件下石墨片将发生剥离,最后将它们在化学溶液中再进行超声分散,就可以得到许多细长的纳米带,且边缘十分平滑。戴宏杰教授与中科院物理研究所王恩哥教授的研究小组合作,对石墨采 用剥离-再嵌入-扩张的方法[3]成功制备了高质量石墨烯。

1.6其它方法

石墨烯的制备方法除了上面介绍的外，还有外延生长法、微波法、有机合成法、纳米管制备石墨烯法、电弧法、电化学法等。

2 石墨烯的应用现状

2.1 “太空电梯”缆线方面的应用

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。

2.2电子产品方面的应用

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[].

2.3光子传感器方面的应用

石墨烯可用于光子传感器,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[5]。

2.4其它应用

除上述应用外，石墨烯由于其特殊的性能在纳电子器件、太阳能电池、抗菌材料、锂电池方面也得到了很好的应用。此外，石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体等。 3结束语

石墨烯以其独特的结构、性质及潜在的应用, 越来越引起研究人员的广泛关注, 已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。随着石墨烯研究的深入, 必将出现一系列性能优良的石墨烯基新型材料及器件, 广泛的应用于国民经济和生活中。

参考文献

[1] Geim A K, Novoselov K S. The rise of graphene[ J] . Naturematerial, 2007.

[2] Li D,Muller M B,Gilje S,etal.Processable aqeous dispersions of graphene nanosheets. Nature Nanotechn, 2008.

[3]Li Xiaolin,Zhang Guangyu,Bai Xuedong,et al.Highly conducting graphene sheets and Langmuir Blodgett films. Nature Nanotechn, 2008. 4

[4]冯卫东.IBM展示运行速度最快的石墨烯晶体管.现代物理知识,2010.

[5]英法研制出超快锁模石墨烯激光器.光机电信息,2010.