石墨烯的潛在應(yīng)用領(lǐng)域及其制備方法調(diào)研報告

1、石墨烯的潛在應(yīng)用領(lǐng)域及其制備方法調(diào)研報告吳敬中科院上海技術(shù)物理爭辯所石墨烯是以 sp2 軌道雜化的碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩 1：翹曲成為零維0D的富勒烯fulleren、卷成一維1碳納米管carbon nanotube、堆垛成三維的石墨graphit。1 石墨烯構(gòu)造圖 Geim 等人覺察單層石墨烯以前，嚴(yán)格的的。2022年，Geim等人用簡潔的微機械剝離法micromechanical cleavage制得了結(jié)晶性很好且格外穩(wěn)定的單原子層厚度的碳膜2界，隨后這一型碳材料成為材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的爭辯熱點。材料中最薄但最結(jié)實的3，且其中的載流子表現(xiàn)出巨大的遷移率4、載流子有限質(zhì)量為

2、零5、在室溫下電子自由傳輸距離可到達(dá)數(shù)微米而不發(fā)生散射6。石墨7和高機械強度3。另外，石墨烯是爭辯相對論量子現(xiàn)象的完善平臺，由于在石墨烯中電子的傳輸過程遵循狄拉克方程5。此外，通過物理或化學(xué)手段可以對石墨烯的電子構(gòu)造和性能進展有效的調(diào)控，實現(xiàn)更為豐富的功能和應(yīng)用。比方，可以進展化學(xué)修飾、化學(xué)摻雜、外表官能化、生成衍生物等。不遠(yuǎn)的將來就能實現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域進展說明。1、作為透亮導(dǎo)電電極石墨烯良好的導(dǎo)電性能和透光性能使之在透亮導(dǎo)電電極方面有格外好的應(yīng)用前景，比方用于觸摸屏, 液晶顯示, 有機光伏電池, 以及有機發(fā)光二極管中。抱負(fù)的單層石墨烯在可見光波段為完全透亮的。 特別是比照此前常用材料摻銦石墨烯有

3、優(yōu)越的機械強度和柔韌性8,9。目前，已有通過化學(xué)氣相沉積的方法將石墨烯制成光伏器件的陽極，并得到高達(dá) 1.71%能量轉(zhuǎn)換效率10。2、單分子探測階梯式的發(fā)生變化11械應(yīng)力的探測。3、復(fù)合型材料1%的微米級石墨烯晶粒的體積填充率就可以制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料12。4、在電池中的應(yīng)用由于具有很大的外表積-體積比和很高的電導(dǎo)率，石墨烯粉體材料可以用作電池電極材料以提高電池效率。5、在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 100nm 長的 赫茲頻率波段13。最近爭辯說明石墨烯中存在磁電阻回線14和雙極子超流15現(xiàn)象，使得石墨烯可用于開發(fā)自旋閥和超導(dǎo)場效應(yīng)管等器件。特別是電子的高遷移率使得石墨烯可以用于彈道輸運晶體管 (b

4、allistictransistor), 并且已經(jīng)用它制造出晶體管原型器件4，顯示這種材料有可能取代Si基材料，為進展超高速計算機芯片帶來突破。6、生物醫(yī)藥應(yīng)用由于石墨烯具有單原子層構(gòu)造, 其比外表積很大, 格外適合用作藥物載體。Dai 等首先制備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, 并且能夠在血漿等生理環(huán)境下保持穩(wěn)定分散; 然后利用- 相互作用首次成功地將抗腫瘤藥物喜樹堿衍生物(SN38負(fù)載到石墨烯上16烯在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用爭辯。7、氫存儲爭辯說明石墨烯有巨大的氫存儲力量17。個重要課題。目前主要有微機械剝離法、加熱SiC單晶法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)復(fù)原石

5、墨烯氧化物等方法。1、微機械剝離法微機械剝離法是直接將 石墨烯薄片從較大的 石墨晶體上剪裁下來。Novoselov等人2承受該方法首次制得只有單原子厚的石墨烯層，并轉(zhuǎn)移到Si襯石墨烯的工業(yè)化進展道路。2SiC 單晶法 具體過程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加 125014501min20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探究， Berger 等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在 100 層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度打算Emtsev 等人19對該方 可以直接作為絕緣襯底而不用再把石墨烯層轉(zhuǎn)移SiC 晶體外表在高溫加熱過程中外表簡潔發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致外表構(gòu)

6、造較為簡單，難于獲得大面積、厚度均一的石墨烯。3、金屬外表化學(xué)沉積生長法 積(CVD)1000的溫度下，在CH4H2 氣氛下進展影響22。生長完畢后，還需要把沉積在金屬薄片上的石墨烯轉(zhuǎn)移到其它絕緣襯底上以便用于實際應(yīng)用中。相比較而言, 化學(xué)氣相沉積法供給了一條有效的途徑來可控地合成和制備石墨烯薄膜. 以金屬單晶或金屬薄膜為襯底, 在其外表上暴露并高溫分解含碳化合物可以生成石墨烯構(gòu)造, 通過襯底的選擇、生長的溫度、相沉積過程引起了廣泛的關(guān)注。4、化學(xué)復(fù)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團, 從而表現(xiàn)為親水性, 可以高度分散在水溶液或其他有機溶劑中 , 利用復(fù)原去氧反響或簡潔加熱處

7、理能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成石墨烯23-26。 由于石墨烯氧化物可以通過氧化石墨材料的過程大量、高效地制備, 因此石墨烯氧化物是大規(guī)模制備石墨烯材料的另一條有效途徑。材料根底，將會極大的推動石墨烯的有用化進程。直接在無定型襯底上制備石墨烯主要有以下幾個難點：1SiC晶體法制備石墨烯，其“碳”源來自于SiC本身；也不同于金屬外表化學(xué)沉積生長法，其“碳”源來自于 CH4，在過渡金屬的強吸附和催化下 CH4 中的碳原子和C 原子吸附于金屬外表上。毫無疑問，成石墨烯層。2、把握碳原子以平面六邊形方式沉積于襯底上3、碳原子沉積厚度及均勻性的把握 定型襯底上制備，缺少把握膜層厚度的機制。 度左右。在這種條件下，石墨會

8、蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯C60、無定型碳和碳納米管。或嘗試在高電壓下使得碳?xì)浠衔锾荚右云矫媪切蔚男问匠练e于襯底之上形成石墨烯。以上這些只是初步的想法，是否切實可行還有待試驗上的摸索和驗證。參考文獻(xiàn)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,

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