石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法 一 二 三 目录 一 石墨烯材料的简介 1 发现 石墨烯 Graphene 是2004年由英国曼彻斯特大学康斯坦丁 诺沃肖洛夫 KostyaNovoselov 和安德烈 海姆 AndreGeim 发现的 他们使用的是一种被称为机械微应力技术 micromechanicalcleavage 的简单方法 2010年 他们因发现了石墨烯而被授予科学界最高荣誉诺贝尔物理学奖 Science 2004 306 666 669 2 结构 石墨烯是石墨的单原子层结构 是由sp2杂化的碳原子构成正六边形网格 蜂窝状二维结构 又一种碳的同素异形体 是构建其它维数碳材料的基本单元 单层石墨烯 富勒烯 碳纳米管 石墨 NatureMaterials 2007 6 183 191 3 神奇特性 二 石墨烯的制备方法 1 微机械剥离法 2 取向附生法 3 外延生长法 4 氧化石墨还原法 5 过渡族金属衬底CVD法 1 微机械剥离法 微机械剥离法是最简单的一种方法 即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来 英国曼彻斯特大学的Geim等于2004年用微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯 Nanotechnology 2008 19 455601 手工将高取向性高温热解石墨 HOPG 逐层剥离 2 取向附生法 取向附生法是利用生长基质原子结构 种 出石墨烯 首先让碳原子在1150 下渗入钌 然后冷却 冷却到850 后 之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面 镜片形状的单层的碳原子 孤岛 布满了整个基质表面 最终它们可长成完整的一层石墨烯 第一层覆盖80 后 第二层开始生长 底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用 而第二层后就几乎与钌完全分离 只剩下弱电耦合 得到的单层石墨烯薄片表现令人满意 Naturematerials 2008 7 406 411 中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜 外延生长法是在单晶体表面外延生长石墨层 然后通过化学刻蚀将石墨层从基片剥离 常见有两种方法 一种为SiC表面分解 一种为分子束沉积 1 SiC表面分解法 3 外延生长法 在高温下 SiC表面Si升华 于是残留的碳原子聚集形成弯曲的石墨烯层 而生长的石墨烯常因SiC表面的缺陷而受阻 在其它区域也发生同样的过程 最终在SiC表面形成连续 尺寸与绝缘基片相当的石墨烯层 SiC外延生长石墨烯的机制 PhysicaE 2010 42 691 694 石墨烯在上的生长过程图 SiC HRTEM下SiC基底上初步生长的石墨烯图 其中黑色环形中是生成的石墨烯层 2 分子束外延法 具体流程 5mm 40mm的Si基片上生长一层约300nm的SiO2 硫酸和过氧化氢清洗 沉积5nm的Ti及300nmNi 800 退火30min 清洁基片 用玻璃碳纤维作为原料外延生长碳层 800 900 退火30min Ni表面即可形成多层石墨烯 SolidStateCommunications 2010 150 809 811 4 氧化石墨还原法 中国科技论文在线 2011年第六卷第三期 187 190 氧化石墨中含有环氧基 羟基 羰基和羧基等含氧基团 能溶于水及某些有机溶剂中 5 过渡族金属衬底CVD法 Nature Letters 2009 457 706 710Chem Mater 2011 23 3362 3370 首先沉积一层过渡族金属 如Fe Cu Ni Pt Au Ru Ir等 薄膜作为衬底 利用其与C的高温固溶 然后冷却析出 再表面重构 形成石墨烯 优点是有利于大面积晶圆级石墨烯生长 缺点是层数精确控制较难 需要进行金属衬底剥离和衬底转移 三 结语与展望 石墨烯的相关研究已逐步深入 形成了制备方法 性质与应用三大方向的分类探索 并在软性电子学 电极材料 传感器 生物兼容等方面取得较大的