石墨烯的物理特性及制備方法

石墨烯是碳原子緊密沉積在二維辦公廳結構中的新材料。這是一個用雙鏈碳、零碳那米管、三維碳石墨等碳材料形成的基本結構單元（碳通過雙鏈連接其他原子），具有一些奇怪的物理特征。這是對理論力學現象的研究的重要路徑。由于電子在石墨烯中的傳輸阻力很小，在亞微米距離移動時不散，并且具有良好的電子傳輸性質。它具有良好的強度、抗壓性。根據該試驗，每100nm距離的最大壓力可達到2.9n。石墨烯獨特的帶帶結構使空孔和電子相互分離，導致新的電子傳導現象，如量化干涉效應、不規則膽紅素效應等。石墨烯的理論研究已有60多年的歷史,但直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫,利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得真正能夠獨立存在的二維石墨烯晶體,并發現了石墨烯載流子的相對論粒子特性,才引發石墨烯研究熱。這以后,制備石墨烯的新方法層出不窮,人們發現,將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。一、國外石墨烯應用研究1.碳化硅法或稱溶蝕法石墨烯的制備方法主要有機械法和化學法2種。機械法包括微機械分離法、取向附生法和加熱碳化硅法,化學法包括化學還原法與化學解理法等。微機械分離法是直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來,可獲得高品質石墨烯,且成本低,但缺點是石墨烯薄片尺寸不易控制,無法可靠地制造出長度足供應用的石墨薄片樣本,不適合量產。取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯,石墨烯性能令人滿意,但往往厚度不均勻。加熱碳化硅法能可控地制備出單層或多層石墨烯,是一種非常新穎、對實現石墨烯的實際應用非常重要的制備方法,但制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。化學還原法能夠低成本制備,但很難制備沒有晶界的高品質石墨烯薄片。化學解理法是利用氧化石墨通過熱還原方法制備石墨烯的方法,是一種重要的石墨烯制備方法。化學氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法,其最大優點在于可制備出面積較大的石墨烯片,缺點是必須在高溫下完成,且在制作過程中,石墨烯膜有可能形成缺陷。而經過改進的微波等離子體化學氣相沉積法,其處理溫度較低,只有大約400℃,但是仍然不適于量產。韓國、美國、日本等都在進行石墨烯制備方面的研究,如韓國科學家使用化學氣相沉積法,在制備大尺寸、高質量石墨烯薄膜方面取得了重大突破,生產出高純度石墨烯薄膜,還把它們貼在透明可彎曲的聚合物上,制成了一個透明電極——這算得上是化學氣相沉積法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一;美國加州大學洛杉磯分校研究人員開發了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法,制作出一種新型的石墨烯納米結構——介孔石墨烯,可以用于大規模生產以介孔石墨烯為基礎的半導體集成電路;日本研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜。目前,國外石墨烯的研究開始轉入如何降低成本并大規模制備階段。2.石墨烯的應用(1)萬km2.3萬百分點長當地電梯石墨烯不僅可以開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料,還可以制造出超堅韌的防彈衣,甚至能讓科學家夢寐以求的3.7萬km(2.3萬英里)長太空電梯成為現實。人類通過“太空電梯”進入太空,所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學家發明出制造太空電梯纜線的堅韌材料,美國NASA此前還曾發出了400萬美元的懸賞。(2)石墨烯晶體的生產硅讓我們邁入了數字化時代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中,石墨烯備加引人矚目。石墨烯的超高強度、透光性(因為極薄)和超強導電性,使之成為了制造可彎曲顯示設備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經出現在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當中。石墨烯運送電子的速度比硅快幾十倍,因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。以國際商業機器公司(IBM)為例,其已研制出運行速度最快的石墨烯晶體管,IBM公司于2010年12月發布了與美國麻省理工學院的共同研究成果——在碳化硅基板上形成的柵長240nm的石墨烯場效應晶體管,并驗證其截止頻率為230GHz。再者,英國科學家開發出了可取代傳統半導體的超材料石墨烯,包括英國國家物理實驗室在內的跨歐研究小組開發出的石墨烯材料,將成為微型芯片和觸摸屏等未來高速電子產品的關鍵成分。(3)石墨烯光電探測器石墨烯還可用于光子傳感器,這種傳感器用于檢測光纖中攜帶的信息,現在,這個角色還在由硅擔當,但硅的時代似乎就要結束。2010年10月,IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器。英國劍橋大學及法國CNR的研究人員已經制造出了超快鎖模石墨烯激光器,這項研究成果顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。(4)半導體材料石墨烯是納米電路的理想材料,其中,高傳導石墨烯是一種性能優異的半導體材料,是將來應用于納米電子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃爾貝克公司開發了用于導電涂層的高傳導石墨烯,這將為石墨烯在電子工業中應用的商業化鋪平道路。(5)薄膜材料的利用透明的石墨烯薄膜可制成優良的太陽能電池。美國魯特格大學開發出一種制造透明石墨烯薄膜的技術,所制造的石墨烯薄膜只有幾厘米寬、l~5nm厚,可用于有機太陽能電池;美國南加州大學的研究人員已將石墨烯用于制作有機太陽電池。石墨烯有機太陽能電池造價低,而且柔韌性好,因此研究人員看好其應用前景,例如這種石墨烯有機太陽能電池可做成家用窗簾,甚至可以做成會發電的衣服。目前研究人員已能制作多種尺寸的石墨烯,其中面積最大的為150cm2。(6)利用石墨烯制造風力發動機和飛機石墨烯在增強復合材料方面超越了碳納米管。美國倫斯勒理工學院的研究者發表的3項新研究成果表明,石墨烯可用于制造風力渦輪機和飛機機翼的增強復合材料。此外,石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體,在生物技術方面也可得到應用……,如此之應用,在此不再一一列舉。二、石墨烯的應用我國的研究人員也正在石墨烯領域開展積極的探索。例如,中國科學院長春應用化學研究所在石墨烯研究方面獲得系列進展,他們針對石墨烯的制備、化學修飾、性能研究等開展了系列研究工作,并積極探索了石墨烯在眾多領域的應用,取得系列創新性的研究進展,還研制開發出多種高強度、高韌性樹脂材料等;此外,該所在石墨烯透明電極、生物傳感等方面探索獲得的關研究結果,引起國內外同行的廣泛關注。2008年12月7日在南開大學舉行的“全國石墨烯/單層石墨研討會”,深入探討了石墨烯/單層石墨的研究現狀和發展方向,使我國在該領域向更高的學術和研究水平更邁進了一步。1.石墨烯的合成及結構2008年,中國科學院物理研究所研究人員采用剝離-再嵌入-擴漲的方法成功制備了高質量石墨烯,中國科學院數學與系統科學研究院的計算結果表明,該石墨烯的理想強度為110~121GPa,這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室納米和界面催化研究組,在多年碳材料研究的基礎上開發了一條以商品化碳化硅顆粒為原料,通過高溫裂解規模制備高品質石墨烯材料的新途徑,對實現石墨烯的實際應用具有重要意義。他們通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制,可以實現對石墨烯結構和尺寸的調控,為石墨烯作為新型電極材料以及催化材料的研究和應用奠定了基礎。值得一提的是,我國科學家率先實現基于石墨烯的各向異性刻蝕技術,這是我國科學家在該研究領域中獨具特色的工作,相關結果已發表在國際知名雜志AdvancedMaterials上。2.石墨烯的應用(1)烯納米生物傳感器2010年3月,在中國科學院院長特別基金和國家自然基金項目的支持下,國家納米科學中心的石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國家納米科學中心和美國哈佛大學合作,成功制備了石墨烯與動物心肌細胞的人造突觸,建立了一維、二維納米材料與細胞相結合的獨特研究體系,為生物電子學的研究帶來了新的機遇,相關研究成果已經發表在2010年3月的國際知名期刊NanoLetters上。(2)氧化石墨烯對大腸桿菌的抗菌性能2008年,中國科學院上海應用物理研究所物理生物學實驗室就開始了新型石墨烯納米抗菌材料方面的研究工作,探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發現氧化石墨烯的抗菌性源于其對大腸桿菌細胞膜的破壞,氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后,對其抑制率超過90%。更重要的是,氧化石墨烯不僅是一種新型的優良抗菌材料,而且對哺乳動物細胞產生的毒性很小。此外,通過抽濾法制備成的紙片樣宏觀氧化石墨烯膜,也能有效抑制大腸桿菌的生長。由于氧化石墨烯的制備簡便、成本低廉,這種新型的碳納米材料有望在環境和臨床領域得到廣泛應用。(3)石墨烯薄膜的作用中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室先進炭材料部的研究人員,探索了石墨烯在場發射體、超級電容器、鋰離子電池和透明導電膜等方面的應用。探索結果表明,石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場發射特性,低的開啟電場和閾值、良好的場發射穩定性和均勻