
基本知識(shí):石墨烯的幾種主流制作方法
發(fā)布時(shí)間:2016-12-06 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】關(guān)于石墨烯及其應(yīng)用領(lǐng)域,工作原理等,很多地方都有講解到,大家也都應(yīng)該知道這些,這里不再復(fù)述,本篇主要講石墨烯的制作方法。供大家參考學(xué)習(xí)!
針對(duì)原料和用途的不同,相應(yīng)的有幾種不同方法。通常來講有氣相沉積法,氧化還原法,插層法。
氣象沉積法主要是含碳?xì)怏w(甲烷、依?。谝欢ǖ臏囟群蛪毫l件下,碳原子在生長基上附著,形成單層碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)并逐漸生長。
優(yōu)點(diǎn):所得石墨烯結(jié)構(gòu)好,尺寸不受原料的限制。缺點(diǎn):制備過程復(fù)雜,生產(chǎn)效率低。
氧化還原法是利用氧化劑將石墨逐層氧化,利用超聲等方式將已氧化的層剝離。之后,利用還原劑將氧化石墨層還原,即得到石墨烯。
優(yōu)點(diǎn):成本低廉,生產(chǎn)效率較高。
缺點(diǎn):制得石墨烯的尺寸由原料決定,所用氧化劑和還原劑有污染環(huán)境的可能。
插層法是將插層物質(zhì)填充到石墨的層間隙中,比以此克服層間范德華力,使得各層分散開,從而得到石墨烯。該方法仍處于研發(fā)階段。

微機(jī)械剝離法
石墨烯首先由微機(jī)械剝離法制得。微機(jī)械剝離法即是用透明膠帶將高定向熱解石墨片按壓到其他表面上進(jìn)行多次剝離,最終得到單層或數(shù)層的石墨烯。2004年,Geim,Novoselov等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯,證明了二維晶體結(jié)構(gòu)在常溫下是可以存在的。
微機(jī)械剝離方法操作簡單、制作樣本質(zhì)量高,是當(dāng)前制取單層高品質(zhì)石墨烯的主要方法。但其可控性較差,制得的石墨烯尺寸較小且存在很大的不確定性,同時(shí)效率低,成本高,不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
外延生長法
外延生長方法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是指在高溫下加熱SiC單晶體,使得SiC表面的Si原子被蒸發(fā)而脫離表面,剩下的C原子通過自組形式重構(gòu),從而得到基于SiC襯底的石墨烯。
金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面,通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。氣體在吸附過程中可以長滿整個(gè)金屬基底,并且其生長過程為一個(gè)自限過程,即基底吸附氣體后不會(huì)重復(fù)吸收,因此,所制備出的石墨烯多為單層,且可以大面積地制備出均勻的石墨烯。
化學(xué)氣相沉淀CVD法:最具潛力的大規(guī)模生產(chǎn)方法
CVD法被認(rèn)為最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯,是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法?;瘜W(xué)氣相沉淀CVD法具體過程是:將碳?xì)浠衔锛淄?、乙醇等通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表面,反應(yīng)持續(xù)一定時(shí)間后進(jìn)行冷卻,冷卻過程中在基底表面便會(huì)形成數(shù)層或單層石墨烯,此過程中包含碳原子在基底上溶解及擴(kuò)散生長兩部分。該方法與金屬催化外延生長法類似,其優(yōu)點(diǎn)是可以在更低的溫度下進(jìn)行,從而可以降低制備過程中能量的消耗量,并且石墨烯與基底可以通過化學(xué)腐蝕金屬方法容易地分離,有利于后續(xù)對(duì)石墨烯進(jìn)行加工處理。
現(xiàn)有制法還不能滿足石墨烯產(chǎn)業(yè)化的要求。包括微機(jī)械剝離法、外延生長法、化學(xué)氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法在內(nèi)的眾多制備方法目前仍不能滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。特別是產(chǎn)業(yè)化要求石墨烯制備技術(shù)能穩(wěn)定、低成本地生產(chǎn)大面積、純度高的石墨烯,這一制備技術(shù)上的問題至今尚未解決。
其他制備石墨烯的方法還有碳納米管切割法、石墨插層法、離子注入法、高溫高壓HPHT生長法、爆炸法以及有機(jī)合成法等。
制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯仍然是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。雖然化學(xué)氣相沉淀法和氧化還原法可以大量的制備出石墨烯,但是化學(xué)氣相沉淀法在制備后期,對(duì)于石墨烯的轉(zhuǎn)移過程比較復(fù)雜,而且制備成本較高,另外基底內(nèi)部C生長與連接往往存在缺陷。利用氧化還原法在制備時(shí),由于單層石墨烯非常薄,容易團(tuán)聚,導(dǎo)致降低石墨烯的導(dǎo)電性能及比表面積,進(jìn)一步影響其在光電設(shè)備中的應(yīng)用,另外,氧化還原過程中容易引起石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)缺陷,如碳環(huán)上碳原子的丟失等。
制法制約石墨烯產(chǎn)業(yè)化。石墨烯的各種頂尖性能只有在石墨烯質(zhì)量很高時(shí)才能體現(xiàn),隨著層數(shù)的增加和內(nèi)部缺陷的累積,石墨烯諸多優(yōu)越性能都將降低。要真正的實(shí)現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化,體現(xiàn)出石墨烯替代其他材料的優(yōu)越品質(zhì),必須在制備方法上尋求突破。只有適合工業(yè)化的石墨烯制法出現(xiàn)了,石墨烯產(chǎn)業(yè)化才能真正到來。
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