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| 幾種常見的石墨烯制備方法及其改性研究 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2014-12-18 10:50:48 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。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。近年來，隨著富勒烯、碳納米管、活性炭、金剛石的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，碳元素作為組成人類生命的基本元素以其豐富多變的姿態(tài)活躍在科學(xué)研究的最前沿。
1 幾種常見的石墨烯制備方法
1.1 化學(xué)剝離法
此種方法采用先氧化后還原的思路，具體步驟是先制備氧化石墨，再用超聲波、熱膨脹等方法將氧化石墨烯盡量剝離出來，最后采用合適的還原劑將氧化石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)槭绮捎盟下?lián)氨對氧化石墨烯進(jìn)行還原，將其中雜化方式為sp3 的碳原子變?yōu)閟p2 碳網(wǎng)絡(luò)晶格組成的石墨烯。這種方法簡單易操作，缺點(diǎn)是難以得到純度較高的單一層石墨烯。
1.2 外延生長法
科研工作者將碳元素以高溫滲透的方法摻雜在稀有金屬中形成間隙雜質(zhì)，再以低溫處理使碳在金屬襯底表面析出石墨烯晶膜。當(dāng)?shù)谝粚邮┥形赐耆采w金屬襯底時，第二層已經(jīng)開始生長，由于第一層與第二層石墨烯和金屬襯底的化學(xué)鍵種類完全不同，弱點(diǎn)耦合作用和強(qiáng)大的共價鍵作用之間的差距使得第二層石墨烯很容易被剝離出來。
1.3 化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法以金屬單晶為襯底，通過改變溫度、調(diào)節(jié)襯底、控制前驅(qū)物的暴露量等達(dá)到精確控制石墨烯薄膜厚度的目的。具體方式是將300mm 厚的Ni 膜加熱到1000 攝氏度后暴露于甲烷氛圍中，從而在Ni 表面形成高純度的石墨烯薄膜。
1.4 微機(jī)械分離法
微機(jī)械分離法是最原始的剝離石墨烯的方法。具體操作時，常采用某種方法使石墨膨脹以便于分離，單層石墨會不規(guī)則的出現(xiàn)在石墨表面，這種方法相比化學(xué)剝離法更加難以控制石墨烯形態(tài)，不適于高精度工業(yè)生產(chǎn)。
2 通過對石墨烯進(jìn)行改性提高其性能
通過傳統(tǒng)方法制備的石墨烯往往極易堆積和重疊，難以獲得一定尺度和性能的高純度石墨烯，為了使石墨烯便于與其他組分進(jìn)行有機(jī)融合以擁有更完美的性能，必須對石墨烯進(jìn)行化學(xué)改性和化學(xué)修飾以克服范德華力。具體包括共價鍵功能化、非共價鍵功能化和化學(xué)摻雜。
2.1 共價鍵功能化
石墨烯穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)因素來源于其獨(dú)特的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，但其苯環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣部分化學(xué)性質(zhì)相對活躍，可以利用氧化石墨烯的方法間接對石墨烯進(jìn)行功能化處理。利用重氮化反應(yīng)和原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)，科學(xué)家Fang 曾經(jīng)將石墨烯分子與聚苯乙烯結(jié)合。
2.2 非共價鍵功能化
與共價鍵功能化不同，科研工作者利用氫鍵、π-π 鍵、范德華力等非共價鍵性質(zhì)的分子間作用力對石墨烯進(jìn)行的化學(xué)改性稱之為非共價鍵功能化。利用聚苯乙炔類高分子與石墨烯的共軛作用制成的功能化石墨烯在二氯乙烷等一些有機(jī)溶劑中有良好的分散性。
2.3 化學(xué)摻雜
科研工作者利用石墨烯良好的導(dǎo)電性，通過控制石墨烯載流子的濃度與極性等物理性質(zhì)使其在微電子器件方面大放異彩。通過以上三種改性方法，科研工作者實現(xiàn)了對石墨烯優(yōu)良性能的充分挖掘，并通過石墨烯與其他材料的復(fù)合化實現(xiàn)了石墨烯功能化的革命性轉(zhuǎn)變。
3 石墨烯的應(yīng)用前景
石墨烯還有一些獨(dú)特性質(zhì)如普通材料只有在特定溫度下才可以呈現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，而石墨烯在室溫下也可表現(xiàn)霍爾效應(yīng)；對于組織為一固定值而與距離無關(guān)的Ballistic Transport，石墨烯的有效距離較長；石墨烯擁有獨(dú)特的負(fù)折射率；按照維爾方程，石墨烯可以像質(zhì)量為零的粒子一樣運(yùn)動。正是擁有這些性質(zhì)，石墨烯材料擁有廣闊的應(yīng)用前景，2012 年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Kanstantin Novoselov 曾表示三星集團(tuán)已經(jīng)開始研究把石墨烯用作透明導(dǎo)電膜的觸摸面板。此外三星尖端技術(shù)研究所已經(jīng)宣布研制出了截止頻率達(dá)到202GHz 的石墨烯高速晶體管。由于對于太陽光中紅外線的吸收能力有限，大多數(shù)太陽能電池產(chǎn)品功率受限，而石墨烯既有很高的載流子遷移率，又能保持較 高的導(dǎo)電率，被視為可以解決這個問題的唯一材料。
世界各地的科研工作者正利用石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)從事軍工、能源、機(jī)械制造、化工等多方面的研究，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來石墨烯研究將成為信息化時代進(jìn)步的重要基石。
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