二维材料石墨烯教程文件
石墨烯的制备工艺流程及关键工艺参数
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(word完整版)石墨烯制备方法高勇..,文档
石墨烯〔 Graphene〕的制备方法总结石墨烯〔 Graphene〕是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜,是一种只有一个原子层厚〔 0.334nm 〕的二维资料。
石墨烯分为:1 单层石墨烯〔Graphene〕;2 双层石墨烯〔Bilayer or double-layer graphene 〕;3少层石墨烯〔 few-layer 〕 3-10 层;4多层也许厚层石墨烯〔 multi-layer graphene 〕厚度在 10 层以上 10nm以下。
石墨烯〔 Graphenes〕是一种二维碳资料,是单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯的总称。
制备不相同种类的石墨烯有不相同的方法,一般情况下,制备单层石墨烯的方法有:机械剥离法、化学气象聚积法、外延生长法、有机合成法等;制备多层石墨烯的方法有:氧化复原法、电弧放电法等;制备石墨烯纳米带的方法:熔交融金快淬碳自析法等。
当前为止,国内外的石墨烯制备方法有20 多种,其中包括:1.机械剥离法2.氧化复原法3.外延生长法4.有机合成法5.化学气象聚积法〔 CVD 〕6.化学剥离法〔氧化复原法〕7.球磨法8.熔交融金快淬碳自析法9.电化学法10.石墨插层法11.离子注入法12.高温高压生长法〔 HTHP 〕13.爆炸法14.液相气象直接剥离法15. 等离子体增加强学气象聚积法〔PECVD 〕16.原位自生模板法17.电泳聚积法18.微波法19.溶剂热法20.电弧放电法21.固态碳源催化法22.纳米管切割法每一种制备方法的原理、制备的石墨烯质量、工艺过程及议论:(1〕化学气象聚积法〔 CVD 〕原理:CVD 法是可控制备大面积石墨烯的一种最常用的方法。
它的主要原理是利用平面金属作为基底和催化剂,在高温环境中通入必然量的碳源前驱体和氢气,相互作用后在金属表面聚积而获得石墨烯。
从生长机理上主要能够分为两种: 一是,渗碳析碳体系,即对于镍等拥有较高溶碳量的金属基体,碳源裂解产生的碳原子在高温时浸透金属基体内,在降温时再从其内部析出成核,进而生长成石墨烯;二是,表面生长体系,即对于铜等拥有较低溶碳量的金属基体,高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附于金属表面,进而成核生长成“石墨烯岛〞,并通“石墨烯岛〞的二维长大合并获得连续的石墨烯薄膜。
2024石墨烯技术PPT课件
contents •石墨烯概述•石墨烯制备方法•石墨烯表征技术•石墨烯应用领域•石墨烯产业发展现状与趋势•总结与展望目录石墨烯定义与结构定义结构石墨烯的每个碳原子与周围三个碳原子通过共价键连接,形成稳定的六边形结构。
这种结构使得石墨烯具有出色的力学、电学和热学性能。
石墨烯性质与特点力学性质石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,可以弯曲成各种形状而不断裂。
电学性质石墨烯具有优异的导电性能,电子在其中的移动速度极快,使得石墨烯成为理想的电极材料。
热学性质石墨烯具有极高的热导率,可以快速地将热量从一个区域传递到另一个区域,这使得石墨烯在散热领域具有广阔的应用前景。
光学性质石墨烯对光的吸收率很低,且透光性极好,这使得石墨烯在透明导电薄膜等领域具有潜在的应用价值。
石墨烯发现历程及意义发现历程石墨烯最初是由英国曼彻斯特大学的两位科学家通过机械剥离法从石墨中分离出来的。
这一发现引起了科学界的广泛关注,并开启了石墨烯研究的新篇章。
意义石墨烯的发现不仅打破了二维晶体无法稳定存在的传统认知,而且为材料科学、凝聚态物理以及电子器件等领域的发展带来了新的机遇。
石墨烯的优异性能使得它在能源、环保、医疗、航空航天等领域具有广阔的应用前景,有望引领新一轮的技术革命和产业变革。
机械剥离法01020304原理优点缺点应用领域化学气相沉积法在高温下,碳源气体在催化剂表面分解并沉积形成石墨烯。
可控制备大面积、高质量的石墨烯;与现有半导体工艺兼容。
设备成本高,制备过程中可能产生有毒气体。
透明导电薄膜、电子器件、传感器等。
原理优点缺点应用领域原理优点缺点应用领域氧化还原法利用溶剂将石墨剥离成单层或少层石墨烯,适用于大规模生产。
液相剥离法碳化硅外延法电弧放电法激光诱导法通过高温处理碳化硅晶体,使其表面外延生长出石墨烯,适用于制备高质量石墨烯。
利用电弧放电产生的高温高压条件,将石墨转化为石墨烯,但产量较低。
利用激光束照射石墨表面,诱导出石墨烯,但设备成本较高。
石墨烯技术的使用教程
石墨烯技术的使用教程石墨烯是一种单层碳原子组成的二维材料,具有出色的导电性、热导性和力学性能。
因为其独特的性质,石墨烯在各个领域都有广泛的应用潜力,包括电子学、能源、传感器等。
本文将为您介绍石墨烯技术的基本概念和常见的使用方法。
1. 石墨烯的制备方法石墨烯可以通过多种方法制备,其中最常见的方法包括机械剥离法和化学气相沉积法。
机械剥离法是通过使用胶带或刮刀将石墨材料逐渐剥离成单层石墨烯。
化学气相沉积法则是通过在金属基底上沉积碳原子来制备石墨烯。
2. 石墨烯的电子学应用石墨烯具有极高的电子迁移率,可以作为理想的导电介质。
在电子学领域,石墨烯常用于制备高速、低功耗的电子器件。
例如,利用石墨烯制备的晶体管在高频段具有出色的性能。
此外,石墨烯还可以用于制备柔性电子器件,如可卷曲的显示屏和超薄电池。
3. 石墨烯的能源应用石墨烯在能源领域有许多潜在的应用,特别是在太阳能电池和储能领域。
石墨烯可以作为导电层或载流子传输层用于太阳能电池,提高电池的效率。
此外,石墨烯还可以作为电容器电极材料,具有高能量密度和长循环寿命的优点。
石墨烯在能源存储和转换方面的研究仍在不断发展中,未来有望实现更多的应用。
4. 石墨烯的传感器应用由于石墨烯的高度敏感性和高导电性,它可以作为传感器的理想材料。
例如,石墨烯传感器可用于检测环境中的气体、湿度和温度等。
由于石墨烯的单层结构,可以实现高灵敏度和快速响应的传感器。
此外,石墨烯还可以与其他材料结合使用,提高传感器的性能。
5. 石墨烯的生物医学应用石墨烯也在生物医学领域显示出巨大的潜力。
它可以用于生物传感器、药物递送和组织工程等应用。
例如,石墨烯生物传感器可以检测生物标志物,提供快速和精确的诊断结果。
此外,石墨烯纳米颗粒可以作为药物递送系统,将药物有效地输送到特定的位置,并有助于控制释放速率。
总结起来,石墨烯技术具有广泛的应用前景。
无论是在电子学、能源、传感器还是生物医学领域,石墨烯都显示出了独特的优势。
石墨烯结构图ppt讲课文档
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石墨烯时代
任正非在接受媒体采访时声称,未来10 至20年内会爆发一场技术革命,“我认为 这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠 覆硅时代”,“现在芯片有极限宽度,硅的 极限是七纳米,已经临近边界了,石墨是技 术革命前沿”。这里提到的石墨烯。
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• ③2004年,英国物理学家安德烈·海姆和·康 斯坦丁诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石 墨烯,凭借“在二维石墨烯材料的开创性实 验”,这两位科学家共同获得了2010年的 诺贝尔物理学奖。
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• ④石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为 它创造了诸多“纪录”。
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元年到来
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、 正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公 司的代表参加了西班牙的石墨烯会议,并分别与意 大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议,为“ 石墨烯全球并购,中国整合”战略打响了第一枪。 此外,2015年3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在
• ⑤石墨烯是世上最薄的材料,只有0.34纳米厚,十万
层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径, 它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上
100倍,每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达 到了2.9微牛左右,这意味着,如果制成包装袋,那么
它将能承受大约两吨重的物品。在石墨烯中,电子能够 极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的三百分之一,远 远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。石墨 烯优异的导电性能可以提升电极材料的电导率,从而大 幅度增加电池的容量。
《CVD法制备石墨烯》课件
制备原理
1 化学气相沉积(CVD) 2 金属基底选择
3 控制制备条件
通过热分解预先制备的碳 源,在金属基底上生长出 单层石墨烯。
合适的金属基底提供了必 要的催化作用和晶格匹配。
温度、压力和气氛的调节 对石墨烯的形成和质量有 着重要影响。
实验步骤和材料准备
1
碳源预处理
2
将化学前体预处理以获得优பைடு நூலகம்的碳源,
用于石墨烯的生长。
3
基底清洗
使用溶剂和特定清洗方法将基底表面状 况达到最佳状态。
预备条件优化
优化制备条件,如温度、气压和反应时 间,以实现高质量的石墨烯生长。
结果与分析
单层结构
通过显微镜和光学方法确认生 长的石墨烯为单层结构。
晶体质量
通过X射线衍射和拉曼光谱分析 石墨烯的晶体质量和结构特性。
电学性能
挑战
石墨烯的大规模生产、集成和应用仍面临许多技术和经济挑战。
总结与展望
通过CVD法制备石墨烯的方法为研究和应用提供了新的可能性。石墨烯在各 个领域的应用潜力仍然巨大,未来有望取得更多突破。
使用四探针测量电性能参数, 如电导率和电子迁移率。
应用领域
电池技术
石墨烯在电池技术领域具有广泛 应用前景,可提高电池的容量和 循环寿命。
电子学
石墨烯的高导电性使其具有改善 电子元件性能和创新电子器件的 潜力。
复合材料
石墨烯的添加可以提升复合材料 的力学性能和导电性能。
优势与挑战
优势
石墨烯具有优异的导电性、力学性能和化学稳定性。
《CVD法制备石墨烯》 PPT课件
在这个PPT课件中,我们将介绍石墨烯的制备方法以及其应用领域。通过CVD 法制备的石墨烯已成为当前研究的热点之一。了解这一技术的原理和步骤将 有助于更好地理解石墨烯的特性和应用。
二维纳米材料——石墨烯
Nano letter. 2008, 8(10): 3166—3170
2011-11-9
9
5 复合材料
• 石墨烯独特的物理、化学和 机械性能为复合材料的开发 提供了原动力,可望开辟诸 多新颖的应用领域,诸如新 型导电高分子材料、多功能 聚合物复合材料和高强度多 孔陶瓷材料等。 • Zhuang等将三苯胺聚甲亚胺 与石墨烯氧化物共价结合得 到了具有电子开关性能的石 墨烯衍生物。
Chen等以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率 密度为10kW/kg, 能量密度为28.5Wh/kg,最大比电容 为205F/g,而且经过1200次循环充放电测试后还保留 90%的比电容,拥有较长的循环寿命。
2011-11-9
8
4 能源存储
• 材料吸附氢气量和其比 表面积成正比,石墨烯 拥有质量轻、高化学稳 定性和高比表面积的优 点,使其成为储氢材料 的最佳候选者。 • Froudakis等设计了新 型3D碳材料,孔径尺 寸可调,,他们将其称 为石墨烯柱。当这种新 型碳材料掺杂了锂原子 时,石墨烯柱的储氢能 力高达41g/L。
2011-11-9
Schematic of a graphene FET gas sensor device
Adv. Mater. 2010, 22, 3906–3924
7
3 超级电容器
石墨烯拥有高的比表 面积和高的电导率, 不像多孔碳材料电极 要依赖孔的分布,这 使它成为最有潜力的 电极材料。
J. Phys. Chem. C, Vol. 113, No. 30, 2009
2011-11-9
6
2 传感器
• 石墨烯为电子传输 提供了二维环境和 在边缘部分快速多 相电子转移,这使 它成为电化学传感 器的理想材料。 气敏传感器暴露在 NH3下30分钟后, 石墨烯表面分子浓 度约为8×1013cm− 2
石墨烯工艺流程
石墨烯工艺流程石墨烯作为一种新型二维材料,在材料科学领域具有广泛的应用前景。
其独特的物理和化学性质赋予其出色的导电性、热导率和机械强度,并且具有极高的表面积和高透明度。
下面将介绍石墨烯的制备工艺流程。
石墨烯的制备工艺主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学剥离法等。
其中,机械剥离法是最早被发现的制备石墨烯的方法,在实践中也得到了广泛应用。
机械剥离法的原理是,通过使用胶带或其他粘性材料,将石墨晶体中的石墨层逐层剥离,最终获得单层的石墨烯。
具体的步骤如下:1. 准备石墨晶体:首先需要准备高质量的石墨晶体,可以通过机械研磨或化学氧化还原法等方法得到。
2. 制备基底:在制备石墨烯之前,需要准备一张适宜的基底材料,常用的有硅衬底或玻璃衬底。
3. 涂敷粘性材料:将胶带或其他粘性材料粘贴在基底表面,然后以一定的角度将其撕去。
重复多次,使石墨层剥离。
4. 转移石墨烯:将胶带或其他粘性材料上的石墨烯转移到其他基底上,可以通过静电吸附或干法转移等方法实现。
除了机械剥离法,化学气相沉积法也是制备石墨烯的常用方法之一。
其工艺流程如下:1. 准备衬底:选择适当的衬底,如金属衬底或二氧化硅衬底,并进行必要的表面处理。
2. 制备催化剂:通过化学方法或物理方法,在衬底表面制备一层金属催化剂,如铜、镍或钯。
3. 进行气相沉积:将预处理过的衬底放置在化学气相沉积反应器中,然后通过加热反应器,使金属催化剂表面发生碳源气体的分解,从而实现石墨烯的生长。
4. 清洗和转移:将生长好的石墨烯进行清洗和转移,常用的方法是浸泡在酸溶液中去除催化剂,然后用胶带或其他粘性材料转移到其他基底上。
化学剥离法是制备大面积石墨烯的一种常用方法,其工艺流程如下:1. 制备石墨晶体:同机械剥离法。
2. 涂覆保护层:在石墨晶体表面涂覆一层保护剂,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
3. 酸处理:将涂覆了保护剂的石墨晶体放入浓硝酸或硫酸中,使其发生氧化剥离反应。
反应后,石墨烯层会与保护剂分离。
二维材料石墨烯教程文件
2.超级电容器领域的应用
石墨烯电极结构设计
超薄平面石墨烯电容器
新型设计
传统设计
将石墨烯的平面与集流体进行垂直,从而进一 石墨烯微片相对于集流体无规取向和并排叠层所
步发挥其在同一平面内的高导电性能
造成离子和电子传输困难
KOH活化石墨烯
KOH氧化后的边缘缺陷和含氧官能团的引入,不仅提高纳米层状石墨 烯的电解质离子可进入性,提高了性能
Thank you !
前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器, 就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺 陷等进行检测。
4)石墨烯过滤器
石墨烯能够淡化海水:研究表明,石墨烯过滤器可 能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。如果能够与水分 子分解发电技术结合,水、电就会成为非常廉价的产品, 人类就不会为缺水、停电烦恼。
20101048634868石墨烯电极结构设计?聚离子液体修饰石墨烯?改善离子液体电解液与石墨烯的可浸润性?表面活性剂修饰石墨烯?相比没有表面活性修饰获得的石墨烯在离子液体中比电容提高到144fg1主要是增加了电极表面电解液润湿性石墨烯电极结构设计?石墨烯上生长纳米晶体nioh2?比电容高达1335fg1并并具有良好的电容保持特性?石墨烯上生长聚吡咯?电化学沉积聚吡咯比电容高达1510fg1面积比电容为151mfcm?2石墨烯赝电容材料复合电极?层次化聚苯胺纳米线石墨烯acsnano2010450195026石墨烯赝电容材料复合电极氧化石墨烯独特结构和力学性能限制了氧化还原过程中pani的机械变形避免了电极材料的破坏获得了更好的稳定性
烯带有不同的小分子官能团,从而提高其在溶剂中的 分散性和稳定性。
1.2聚合物改性石墨烯 将聚合物接枝在石墨烯表面可以同时发挥石墨烯和
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化学方法
2.化学方法
2.1表面析出法 该方法是通过加热富C品体,实现C在晶体的特定表面富
集并最后长成石墨烯片。最典型的是以4H—SiC或6H—SiC为原 料,在高真空下通过电子轰击加热除去氧化物,然后加热样品 使温度升高脱除Si,在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。通过 这种方法,并利用热循环法以富含C的金属钌(0001)面为模板, 在钌原子的填隙中也可以实现C原子的层状生长。在富C钌基材 料中也采用这法制备出石墨烯。
1.2液相或气相直接剥离法
这种方法是在有机溶剂或水中.以石墨或膨胀石墨为原料, 借助超声波、加热或气流的作用,制备一定浓度的单层或多层石 墨烯溶液(如图2所示)。
溶剂可以是N一甲基吡咯烷酮、邻二氯苯、三氯甲烷、氨水等。 以石墨粉为原料,利用超声、离心、微波等方法制备石墨烯。但 制备的石墨烯产率较低.而且石墨片容易发生聚集形成多层石墨。
墨烯纳米带。
化学合成法
自下而上的有机合成法
• 可以制备具有确定结构而且无缺陷的石墨烯纳米带 • 可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰
从有机小分子出发制备石墨烯
• 条件比较温和 • 易于控制 • 给连续化批量制备石墨烯提供了可能
除以上介绍的常见制备方法外,还 有人研究了利用电弧法、切割碳纳米管 法、气相等离子体生长技术、静电沉积 法、原位自生模板法等制备石墨烯。如 何综合运用各种石墨烯制备方法的优势, 取长补短,解决石墨烯的不稳定性、量 产等问题,完善其结构和电性能是今后 研究的热点和难点,也是今后开辟新的 石墨烯合成途径的关键。
伟大的发现—
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石墨烯
石墨烯的结构
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成 的单层片状结构的新材料。
是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型 呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度 的二维材料。
石墨烯的结构
• 是构建碳纳米管和富勒烯的基本单元
优良的性能
石墨烯的制备
石墨烯的制备方法是国内外石墨烯研究的一个重要焦点, 目前发表的石墨烯研究论文有很大一部分是关于石墨烯的制备。
氧化石墨还原法
优点
含氧基团的存在使石墨烯易于分散在溶剂中, 且使石墨烯功能化,易于和很多物质反应, 使石墨 烯氧化物成为制备石墨烯功能复合材料的基础。
缺点
氧化过程会导致大量的结构缺陷, 这些缺陷即 使经1100度退火也不能完全被消除, 仍有许多羟基、 环氧基、羰基的残留。缺陷导致的电子结构变化 使石墨烯由导体转为半导体, 严重影响石墨烯的电 学性能, 制约了它的应用。
机械剥离法
图1(a)为用胶带粘连撕揭石墨晶体材料顶部的几层石墨片 图1(b)为一些石墨薄片堆叠在胶带上 图1(c)为将胶带上的石墨薄片按下粘在一定的衬底上 图1(d)为撕揭胶带使得有些石墨片脱离胶带留在衬底上
这种方法后来简化为直接用胶带从高定 向热解石墨(HOPG)上揭下一层石墨,然后在 胶带之间反复粘贴使石墨片层越来越薄,再 将胶带贴在衬底上,单层石墨烯即转移到衬 底上。康斯坦丁·诺沃肖洛夫等也是通过这种 机械分离法制备石墨烯,但他们是用热解石 墨通过摩擦的方式在体相石墨的表面获得单 层的石墨烯。后来,科学家们不断发展和完 善了这类方法。
微机械剥离法
2011年,Green课题组以胆 酸钠为表面活性剂,利用 密度梯度超速离心法制备 了厚度可控的石墨烯。
(A)将片状石墨和胆酸 钠混合在水溶液中,通过 超声破碎剥离出石墨烯, 胆酸钠将石墨烯包裹住 (B)分散在胆酸钠溶液 中的石墨烯样品 (C)石墨烯表面的胆酸 钠有序单分子层
液相或气相直接剥离法
烯带有不同的小分子官能团,从而提高其在溶剂中的 分散性和稳定性。
研究发现,在液相剥离石墨片层过程中加 入一些十二烷基苯磺酸钠、柠檬酸钠等稳定剂 可以提高石墨烯溶液的稳定性,同时石墨烯的 性能、单层石墨烯的产率也得到提高。
除了以上几种常用的物理方法外,还有文 献报道了以球磨法、爆炸法等剥离膨胀石墨制 备石墨烯,但这几种方法不能彻底地剥离石墨 及氧化石墨片层结构,大部分为多层结构。
延伸
石墨烯量子点(Graphene Quantum Dots)
一般是横向尺寸在100nm以下,纵向尺寸可以在几个纳米以下 ,具有一层、两层或者几层的石墨烯结构,也就是特殊的非常小的 石墨烯碎片。
石墨烯水凝胶
石墨烯气凝胶
它的内部有很多孔隙,充满空气。
对石墨烯的表面改性
1.有机物改性石墨烯
1.1 有机小分子改性石墨烯 通过有机小分子对石墨烯进行改性 ,可以使石墨
优点
• 大面积 • 高质量
缺点
• 条件比较苛刻 • 过程比较复杂
化学合成法
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4 化学合成方法
2010年,Mullen课题组利用自 下而上的化学合成方法制备了 石墨烯纳米带。
1. 以二溴联蒽酮单体为前驱 体。
2. 单体热分解成双游离基 3. 双游离基通过加聚反应形
成线性高分子链。 4. 通过环化脱氢作用形成石
缺点: 该方法通常会产生比较难以控制的缺陷以及多品畴结构,很 难获得较好的长程有序结构。制备大面积、具有单一厚度的石 墨烯比较困难。
氧化石墨还原法
2.2氧化石墨还原法
氧化石墨还原法是目前制备石墨烯最热门的方法之一。
这种方法中石墨的氧化是关键环节,图3为比较公认的石墨烯氧化物结构式
氧化石墨常用的方法主要有Hummers方法。
CVD法
2.3化学气相沉积(CVD)法
1. 选择对碳具有较高固熔度的金属(如Si和Ni)作为衬底 2. 升温至生长温度,使碳通过扩散进入金属中 3. 快速降温使碳从金属中偏析出来。
CVD法
通过化学气相沉积在绝缘表面( 例如SiC) 或金属表面( 例如Ni) 生长石墨烯, 是制备高 质量石墨烯薄膜的重要手段。
物理方法
1.物理方法 1.1机械剥离法
这类方法是通过机械力从石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层, 即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。
2004年安德烈·海姆获得的石墨烯 片即是采用这种方法制备的:在高定 向热解石墨(HOPG)表面用氧等离 子刻蚀微槽,用光刻胶将其转移到玻 璃衬底上,再用胶带反复撕揭而后将 玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗, 并在溶液中放入单晶硅片,单层石墨 烯会在范德华力作用下吸附到硅片表 面,最后制得石墨烯片。