石墨烯的性質(zhì)、應(yīng)用及合成

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上石墨烯的性質(zhì)、應(yīng)用及合成摘要：自2004年Geim教授和Novoselov教授在實(shí)驗(yàn)室用膠帶剝離出石墨烯后，其令人驚嘆的性質(zhì)激發(fā)了人們對(duì)這一材料的強(qiáng)烈興趣，Geim教授和Novoselov教授也因他們“對(duì)二維材料石墨烯的開拓性研究”而獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯由六方蜂巢晶格排列的碳原子組成，僅有一個(gè)原子層厚。下面我將簡單介紹一下石墨烯的性質(zhì)、應(yīng)用及合成。關(guān)鍵字：石墨烯 性質(zhì) 應(yīng)用 合成石墨烯的性質(zhì) 對(duì)于石墨烯的性質(zhì)，在此簡單介紹一下石墨烯的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電子自旋性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。石墨烯的電學(xué)性質(zhì)引起了科技工作者的廣泛興趣，通過簡單的最近鄰緊

2、束縛計(jì)算可以得到較近似的單層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。其能帶結(jié)構(gòu)揭示了單層石墨烯的三個(gè)吸引人的電學(xué)性質(zhì)：狄拉克點(diǎn)處的載流子密度為零，偽自旋現(xiàn)象和載流子的相對(duì)論特性。利用化學(xué)反應(yīng)修飾石墨烯結(jié)構(gòu)已有超過150年的歷史，化學(xué)過程對(duì)石墨烯帶來的有利的結(jié)構(gòu)變化主要有兩種：從塊狀石墨剝離得到石墨烯片層，或者進(jìn)行層間插層。當(dāng)考慮石墨烯和石墨中的電子自旋時(shí)，需要考慮兩種類型的自旋，即與缺陷相關(guān)的靜態(tài)自旋和傳導(dǎo)電子自旋。在石墨烯中，碳原子采用共價(jià)的三重鍵和方式，即sp2雜化。我們都知道決定鍵強(qiáng)度的一個(gè)重要因素是原子軌道間的重疊度，雜化體系的一個(gè)很關(guān)鍵的優(yōu)勢在于，根據(jù)最大重疊定律進(jìn)行的鍵合會(huì)十分牢固，化學(xué)鍵的強(qiáng)度對(duì)于一個(gè)

3、材料的物理和力學(xué)性能十分重要，如熔點(diǎn)、相變的活化能、拉伸和抗剪強(qiáng)度等。實(shí)際上，在石墨烯中sp2雜化碳采用的是最強(qiáng)的C-C化學(xué)鍵，考慮到三重鍵和的C-C鍵是最強(qiáng)的化學(xué)鍵，所以不難推測石墨烯具有良好的力學(xué)性能。碳材料具有多種性質(zhì)差異顯著的同素異形體，不同同素異形體的熱導(dǎo)率橫跨5個(gè)數(shù)量級(jí)，最高的為金剛石和石墨烯，（2000W/mK），最低的為無定形碳（0.01W/mK），盡管石墨烯為二維晶體材料，和金剛石不太一樣，但在很多前沿領(lǐng)域也表現(xiàn)出了優(yōu)良的熱操控性能。石墨烯的應(yīng)用 對(duì)于石墨烯的應(yīng)用，我主要講述一下石墨烯電子器件、石墨烯復(fù)合材料以及石墨烯儲(chǔ)能器件。 自2004年Geim教授和Novoselov教

4、授在實(shí)驗(yàn)室用膠帶剝離方法制備出石墨烯，并且制備出石墨烯器件之后，石墨烯在各種電子器件的應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)展。石墨烯獨(dú)特且優(yōu)異的載流子輸運(yùn)特性使得石墨烯有望成為下一代集成電路的基礎(chǔ)材料。石墨烯具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，這也使得石墨烯適用于微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)器件的制造；石墨烯還具有良好的透光性和導(dǎo)電性，又使其適用于光電器件透明電極。石墨烯高的導(dǎo)電率和特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其特別適用于場效應(yīng)晶體管方面，也已經(jīng)制備出了石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）。石墨烯良好的導(dǎo)電性能、透光性能及化學(xué)穩(wěn)定性使其與傳統(tǒng)的透明電極材料氧化銦錫（ITO）相比更具有優(yōu)勢，而且石墨烯在整個(gè)光譜上光透過率維持著統(tǒng)一的分布。例如，2

5、010年6月，韓國SKKU和三星聯(lián)合報(bào)道了在銅箔上生長30英寸單層石墨烯，他們所制備的單層石墨烯面電阻為125/sq，透過率高達(dá)97.4%，這一性能已經(jīng)超過了ITO，在觸控顯示屏以及柔性電子器件領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。石墨烯具有高遷移率、高透光率了、高穩(wěn)定性、可功能化及其他優(yōu)異的電學(xué)特性，這使其不僅可以用于太陽能電池的窗口層材料，還可作為功能層直接參與光電轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵過程。石墨烯因其優(yōu)異的性能，常被用作復(fù)合材料中的功能相和增強(qiáng)相。自20世紀(jì)中期以來，聚合物基復(fù)合材料一直因其高性能低密度在航天航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，特別是隨著納米顆粒、納米纖維等多功能增強(qiáng)相的應(yīng)用，聚合物基復(fù)合材料更是取

6、得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著石墨烯制備、化學(xué)修飾和分散技術(shù)的成熟，近幾年基于石墨烯的聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展很快，聚合物中石墨烯對(duì)其整體性能的增強(qiáng)主要取決于兩個(gè)方面，即單層石墨烯的分散以及與石墨烯之間的結(jié)合強(qiáng)度。雖然石墨烯具有優(yōu)異的載流子遷移率，但高質(zhì)量的石墨烯很難大批量生產(chǎn)。氧化還原的方法制得的石墨烯一般都會(huì)含有大量含氧官能團(tuán)，其導(dǎo)電性大大降低。因此，在基于石墨烯的聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料中，提高化學(xué)修飾石墨烯的本證電導(dǎo)率成為研究的重要方向。石墨烯是目前已知材料中熱導(dǎo)率最高的材料，可以達(dá)到5000Wm-1K-1，因此被認(rèn)為是最好的熱控材料。碳材料作為一種傳統(tǒng)的儲(chǔ)能材料，在鋰離子電池、超級(jí)電容器等設(shè)備

7、中有著廣泛的應(yīng)用，通常在儲(chǔ)能材料中使用的碳材料是各種不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的石墨或石墨衍生物。石墨烯作為sp2雜化石墨的二維極限形式，具有超大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種理想的儲(chǔ)能材料，石墨烯基儲(chǔ)能材料主要包括超級(jí)電容器電極材料和鋰離子電池電極材料。石墨烯的合成 石墨烯有很多合成方法，這里我們主要介紹6種實(shí)驗(yàn)室常用的方法，即機(jī)械剝離、還原石墨烯氧化物、由分子前驅(qū)體自底而上合成石墨烯、使用催化金屬的化學(xué)氣相沉積、在非金屬上CVD合成石墨烯、在SiC上外延生長石墨烯，并將簡單介紹一下石墨烯的轉(zhuǎn)移。眾所周知，石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，所以我們借助機(jī)械外力從塊狀石墨中剝離出石墨烯，機(jī)械

8、剝離就是基于這一原理而制備出石墨烯的。2004年，Geim教授和Novoselov教授在實(shí)驗(yàn)室用膠帶粘附到石墨的表面，然后利用將粘附在膠帶上的石墨烯剝離，并轉(zhuǎn)移到二氧化硅上，從而首次觀察到了二維石墨烯，由于石墨烯具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，為了表彰Geim教授和Novoselov教授在石墨烯方面的突出貢獻(xiàn)，2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了他們。簡單的實(shí)驗(yàn)過程和較低的成本使機(jī)械剝離法成為最常用的方法，具體包括微機(jī)械剝離法、溶液超聲處理法、碾磨和插層法，盡管人們?cè)谶@些領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。機(jī)械剝離法的主要缺點(diǎn)是其產(chǎn)量無法滿足很多應(yīng)用的需求，而且產(chǎn)物中通產(chǎn)含有殘留的剝離媒介。微機(jī)械剝離

9、可能會(huì)使石墨烯沉積到基底的過程中受應(yīng)力作用，從而使獲得的石墨烯含有多種缺陷，例如：褶皺、波紋、原子缺陷、微觀起皺等，這些都會(huì)降低石墨烯器件的電學(xué)性能。球墨法和超聲法有望大規(guī)模制的少層，甚至單層石墨烯，但這兩種方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，例如：制得的石墨烯尺寸大小及層數(shù)難以控制，而且超聲法制得的石墨烯中還殘留有剝離介質(zhì)。但是機(jī)械剝離法作為很簡單的一種獲得石墨烯的方法仍具有很強(qiáng)的吸引力，人們期望能找到一種更好的原料來獲得高質(zhì)量的石墨烯。氧化還原法是目前應(yīng)用的最廣泛的一種液相法，其基本原理是將石墨氧化并將氧化的片層分散于水中，再將石墨烯氧化物還原即可得到石墨烯。這種方法最大的有點(diǎn)是其實(shí)原料為石墨，便宜

10、而且易得，最大的不足和固相剝離一樣，就是所制得的石墨烯尺寸大小及層數(shù)難以控制，而且制得的石墨烯中還殘留有氧化劑或者還原劑。常用的氧化方法有Hummers法、Brodie法和Standenmaier法，為了使石墨烯的氧化更加充分，可對(duì)塊狀石墨進(jìn)行膨脹預(yù)處理。即將石墨浸泡在由雙氧水和濃硫酸組成的溶液中，由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，故酸分子可以插層到石墨的夾層中，從而得到可膨石墨。最常用的還原石墨烯的方法主要有3種，即化學(xué)還原、電化學(xué)還原、熱處理。由分子前驅(qū)體自底而上合成石墨烯的方法主要包括化學(xué)氣相沉積法（chemical vapor depostion,CVD)和基于自底而上路徑的分子組裝方法?；瘜W(xué)氣相沉

11、積法將在下一種方法中詳細(xì)介紹，此外也可以利用溶液法，由于石墨烯實(shí)際上是多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)類分子的一種，所以我們有足夠的理由設(shè)想在合成小的PAHs后，可以通過一些方法將小分子的芳香烴經(jīng)過多種偶聯(lián)反應(yīng)結(jié)合在一起，最終得到小面積的石墨烯。雖然溶液化學(xué)方法有很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)用性方面仍然存在很大的不足，因?yàn)榇蠖鄶?shù)環(huán)系的溶解性會(huì)降低，所以要想合成大面積石墨烯很難。利用化學(xué)氣相沉積（CVD）在金屬上生長石墨烯，是目前最流行也是應(yīng)用最廣泛的合成途徑之一，及其原因，主要是該技術(shù)有潛力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，也已經(jīng)建立了良好的工業(yè)設(shè)備基礎(chǔ)，并且很容易在實(shí)驗(yàn)室

12、搭建設(shè)備進(jìn)行研究。在金屬催化劑上用CVD法可以制備出大面積的石墨烯，這對(duì)應(yīng)用來說十分重要，因?yàn)楹芏喙I(yè)上需要用的石墨烯必須是連續(xù)覆蓋的，這與用剝離法得到的石墨烯有很大區(qū)別，因?yàn)閯冸x法得到的石墨烯是散落在基底上的。這里所用的CVD法是以金屬作為基底和催化劑的。在CVD法中我們一般用的是固體銅箔，但我們都知道固體表面并不均勻，而且有晶界的存在，所以注定我們得到的石墨烯表面不均勻，而且作為催化劑的銅箔不僅用量大而且不可重復(fù)利用。為了克服固體催化劑的這些缺點(diǎn)，我們實(shí)驗(yàn)室嘗試以液態(tài)金屬為催化劑來制備石墨烯，不僅可以獲得均勻的石墨烯，而且用量少，所用的基底W片也可重復(fù)利用。所以液態(tài)金屬作為催化劑會(huì)成為未來

13、發(fā)展的一個(gè)重要方向。在CVD法制備石墨烯中，采用非金屬催化劑具有很大的吸引力。例如，把石墨烯用作場效應(yīng)晶體管的溝道材料時(shí)，需要將石墨烯置于非金屬上，這樣才能與柵欄材料絕緣。因?yàn)樵诮饘偕仙L石墨烯需要經(jīng)過后續(xù)的轉(zhuǎn)移處理，這往往會(huì)對(duì)石墨烯造成不可修復(fù)的破壞，所以我們可以大膽設(shè)想直接在絕緣材料上生長石墨烯，這樣就無需進(jìn)行后處理，并且科學(xué)家們也希望能在500以下生長石墨烯，因?yàn)楦邷乜赡軙?huì)損壞基地上的其它器件。但是在非金屬上生長石墨烯仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，盡管如此，用非金屬催化劑生長CNTs的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，科學(xué)工作者們也嘗試了其它的很多方法并且取得了一些突破，所以這是未來生長石墨烯的一個(gè)重要研

14、究領(lǐng)域。碳化硅制備石墨烯的優(yōu)勢在于石墨烯薄膜可以在商品化的碳化硅基底上的外延生長，而且生長的石墨烯無需轉(zhuǎn)移即可使用標(biāo)準(zhǔn)的納米刻蝕技術(shù)制的圖形，由此該技術(shù)得以與目前的半導(dǎo)體技術(shù)有很好的兼容性。而且由于碳源是由基底碳化硅直接提供的，不需要金屬或者烴類，故這一技術(shù)非常清潔，而且制得的石墨烯遷移率超過25000cm2V-1s-1，所以該技術(shù)不僅得到了廣泛的關(guān)注，而且得到了極大的應(yīng)用。該技術(shù)基于的原理是硅從碳化硅表面控制升華，在升華過程中，材料由固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，并不保持二元化合物的化學(xué)計(jì)量比。就碳化硅來說，硅先升華留下基層幾乎自由的碳，這基層碳在表面發(fā)生重排形成石墨烯從而降低能量?？偨Y(jié)和展望在本文中，石

15、墨烯的性質(zhì)、應(yīng)用及合成被大致的回顧了一下，我們對(duì)于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等性質(zhì)有了一些了解，并且對(duì)于石墨烯的制備方法也有了一些初步了解，但對(duì)于石墨烯的實(shí)際應(yīng)用來說，制備高質(zhì)量、大面積、低成本的石墨烯仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了使石墨烯能更有效的被應(yīng)用，必須使其附著于其它材料的表面，尤其是半導(dǎo)體納米材料的表面。在不久的將來，有望找到制備高質(zhì)量、大面積、低成本石墨烯的方法，并且石墨烯的應(yīng)用也會(huì)得到極大的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：【1】Mattevi, C., Kim, H. & Chhowalla, M. A review of chemical vapour deposition of gr

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