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文章詳情
石墨烯
日期：2025-12-12 15:06
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摘要：概念
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金...
概念
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率*小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。
制備方法
機械剝離法制備
在2008那年，由機械剝離法制備得到的石墨烯乃世界*貴的材料之一，人發(fā)截面尺寸的微小樣品需要花費$1,000。漸漸地，隨著制備程序的規(guī)模化，成本降低很多。現(xiàn)在，公司行號能夠以公噸為計量單位來買賣石墨烯。換另一方面，生長于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的價錢主要決定于基板成本，在2009年大約為$100/cm2。使用化學(xué)氣相沉積法，將碳原子沉積于鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬后，轉(zhuǎn)換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地制備出尺寸達30英吋寬的石墨烯薄膜。
撕膠帶法/輕微摩擦法
*普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年，海姆等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。
碳化硅表面外延生長
該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。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熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，克萊爾·伯格（Claire Berger）等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。
金屬表面生長
取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個基質(zhì)表面，*終它們可長成完整的一層石墨烯。**層覆蓋8 0 ％后，**層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的相互作用，而**層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。
氧化減薄石墨片法
石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯 。
肼還原法
將氧化石墨烯紙（graphene oxide paper）置入純肼溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。
乙氧鈉裂解
一份于2008年發(fā)表的論文，描述了一種程序，能夠制造達到公克數(shù)量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然后將得到的乙醇鹽（ethoxide）產(chǎn)物裂解，經(jīng)過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可制成公克數(shù)量的純石墨烯。
切割碳納米管法
切割碳納米管也是制造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用等離子體刻蝕（plasma etching）一部分嵌入于聚合物的納米管。
石墨的聲波處理法
這方法包含分散在合適的液體介質(zhì)中的石墨，然后被超聲波處理。通過離心分離，非膨脹石墨*終從石墨烯中被分離。這種方法是由Hernandez等人**提出，他得到的石墨烯濃度達到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然后，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在意大利的阿爾貝托·馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。Mariani等人達到在NMP中的濃度為2.1mg/ml（在該溶劑中是*高的）。同一小組發(fā)表的*高的石墨烯的濃度是在已報告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質(zhì)用于石墨剝離；在此培養(yǎng)基中獲得了非常高的濃度為5.33mg/ml。
文章來源：石墨烯網(wǎng)-石墨烯百科
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率*小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。
制備方法
機械剝離法制備
在2008那年，由機械剝離法制備得到的石墨烯乃世界*貴的材料之一，人發(fā)截面尺寸的微小樣品需要花費$1,000。漸漸地，隨著制備程序的規(guī)模化，成本降低很多。現(xiàn)在，公司行號能夠以公噸為計量單位來買賣石墨烯。換另一方面，生長于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的價錢主要決定于基板成本，在2009年大約為$100/cm2。使用化學(xué)氣相沉積法，將碳原子沉積于鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬后，轉(zhuǎn)換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地制備出尺寸達30英吋寬的石墨烯薄膜。
撕膠帶法/輕微摩擦法
*普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年，海姆等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。
碳化硅表面外延生長
該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。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熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，克萊爾·伯格（Claire Berger）等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。
金屬表面生長
取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個基質(zhì)表面，*終它們可長成完整的一層石墨烯。**層覆蓋8 0 ％后，**層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的相互作用，而**層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。
氧化減薄石墨片法
石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯 。
肼還原法
將氧化石墨烯紙（graphene oxide paper）置入純肼溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。
乙氧鈉裂解
一份于2008年發(fā)表的論文，描述了一種程序，能夠制造達到公克數(shù)量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然后將得到的乙醇鹽（ethoxide）產(chǎn)物裂解，經(jīng)過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可制成公克數(shù)量的純石墨烯。
切割碳納米管法
切割碳納米管也是制造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用等離子體刻蝕（plasma etching）一部分嵌入于聚合物的納米管。
石墨的聲波處理法
這方法包含分散在合適的液體介質(zhì)中的石墨，然后被超聲波處理。通過離心分離，非膨脹石墨*終從石墨烯中被分離。這種方法是由Hernandez等人**提出，他得到的石墨烯濃度達到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然后，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在意大利的阿爾貝托·馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。Mariani等人達到在NMP中的濃度為2.1mg/ml（在該溶劑中是*高的）。同一小組發(fā)表的*高的石墨烯的濃度是在已報告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質(zhì)用于石墨剝離；在此培養(yǎng)基中獲得了非常高的濃度為5.33mg/ml。
文章來源：石墨烯網(wǎng)-石墨烯百科
