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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(gè)碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)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(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅(jiān)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(dá)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(gè)碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)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(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅(jiān)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(dá)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?yàn)樗碾娮杪蕵O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(shí)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(gè)特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。
制備方法
機(jī)械剝離法制備
在2008那年，由機(jī)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(fèi)$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(hào)能夠以公噸為計(jì)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(jià)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(dá)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(jī)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(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)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(diǎn)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(dá)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(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個(gè)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(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)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(huì)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(dá)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(dòng)（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(yàn)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(dá)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(gè)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(dá)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(bào)告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個(gè)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(gè)碳原子厚度的二維材料[。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)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(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 石墨烯目前是世上*薄卻也是*堅(jiān)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(dá)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?yàn)樗碾娮杪蕵O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(shí)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(gè)特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。
制備方法
機(jī)械剝離法制備
在2008那年，由機(jī)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(fèi)$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(hào)能夠以公噸為計(jì)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(jià)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(dá)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(jī)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(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)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(diǎn)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(dá)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(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個(gè)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(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)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(huì)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(dá)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(dòng)（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(yàn)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(dá)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(gè)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(dá)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(bào)告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個(gè)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
