小论文--石墨烯

石墨烯

摘要：自石墨烯发现以来，越来越受到科研工作者的热捧。本文介绍了石墨烯的制备、结构、性能及应用、表征和研究现状，并且对石墨烯的研究趋势提出展望。关键词：石墨烯；制备；性能；应用；发展趋势

概述

一直以来,科学家们认为,单层的石墨烯是不可稳定能存在的。人们错误的认为,将石墨烯从石墨上剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构,而且固体的熔点随着粒子粒度的减小是要大大降低的,当减小到几个原子层厚时,固体将熔化。另外,

在二维晶体中由于内能的存在,使原子的振动幅度很大,因此原子的错位将相当严重的,这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同,因此不能保持单层的结构。英国Manchester大学的Geim教授在理论上不可行的情况下依然进行了偿试,他从2002年开始寻找石墨烯。人们通常用胶带粘附的方法来获得石墨的单晶面,Geim教授设想把这种方法发展到极限,他很快便制得了十个分子厚度的石墨,于是他偿试着再去掉九层,并最终成功了,他的团队成功得到了单层的石墨烯,并在2004年的《Nature》上发表了关于石墨烯的研究成果[1]。在那篇论文中,他把石墨烯放在了硅片上,接上电极,研究了不同电位下石墨烯的带电情况,石墨烯的发现在纳米科技上是有划时代的意义的。

石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景.正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯的结构

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元,如图1所示。石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是呈二维结构的,但实际上并不是平坦的,而是波状的。在一个两层体系中,

这种起伏不是很明显,在多层体系中会完全消失。石墨烯中每一个碳原子与周围

的三个碳原子之间以特殊的单键相连,剩

余的一个电子可以自由移动,因此石墨烯

是可以导电的。从某种程度上理解,可以认

为,整个石墨烯片层形成一个大π键。

图1 石墨烯的结构

石墨烯的制备方法

众所周知，石墨是三维层状晶体，这一晶体是由一层一层的二维石墨烯堆垛而成，通过层层剥离，人们制得了单层的石墨烯，这一惊奇的的发现，令人信服地看到：二维材料的确可以在通常状态下存在，而无须借助于其它非常手段。

机械剥离法虽然能够制得高质量石墨烯，但这种方法存在很大的局限性：这样得到的石墨烯受原始石墨质量的影响，同时这种石墨烯一般缺陷较多，因而获得的均匀层数石墨烯面积较小，一般只有微米级[2, 3]。到目前为止的最高水平也只有100微米级。为了得到大面积、层数均匀可控的高质量石墨烯，人们向更高水平的制备方法发起了冲击。

美国de Heer小组的Berg等采用热分解的方法[4, 5]，制备出了高迁移率的小面积石墨烯。此后，尽管这种方法仅能制备出纳米量级的石墨烯，但是受到了广泛的普遍重视，为了克服其均匀形核岛状生长，Hupalo 等[6]将热分解法进行了扩展。在超高真空状态下，升高温度到1000℃以上，每隔几度就等温30秒，经过数次等温，得到了面积更大的石墨烯薄膜，层数相对较为均匀。2009年，Emtsev等[7]通过调节碳化硅热分解时的氩气压力到1 bar，得到了与Hupalo等相似的结果。

Sutter[8]，Coraux等[9]分别利用热分离法在金属衬底上外延生长出了达100 m量级的高度有序的石墨烯。Kim等[10]在金属衬底上沉积有机层再沉积Ni膜，利用含碳气相在Ni表面催化生长，得到了面积达厘米量级的石墨烯。尽管这些石墨烯层数厚，属于多晶，但这种利用金属催化法生长石墨烯的方法，为石墨烯的成功转移开拓了一种新的方向。

斯坦福大学戴宏杰课题组用化学插层裂解方法获得不同宽度的石墨烯

纳米条带[11]，发现宽度小于10nm的石墨烯条带可以制备出场效应管，开关比达7个数量级。石墨烯纳米条带具有量子限域效应，被用来制作量子点，条带之间存在选择隧穿规律。但目前国际上制备出的石墨烯条带裁剪尚不能精确控制，缺陷和杂质等不可避免。这激发人们利用各种实验手段(如STM的针尖，刻蚀，外延生长和化学合成等)制备高质量石墨烯纳米条带。

下面详细深入的介绍一下石墨烯的制备方法。

微机械分离法

最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselov等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。

机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法。首先将高定向热解石墨HOPG（highly-oriented pyrolytic graphite）置于氧离子束中轰击，去掉表面污染物。随后有两种制备工艺可以选择，一是再采用胶带反复互粘，直到胶带纸上剩余的石墨层仅有几个原子层厚度，最后将带有100或300nmSiO2层的硅单晶在一定压力下紧压在胶带表面，获得层数较小的石墨烯。二是在表面离子侵蚀后，将HOPG表面与覆盖有感光树脂的玻璃片紧密压实并在一定温度下烘烤直到二者粘接在一起，此时取下HOPG，会有部分石墨在感光树脂表面存留，再用胶带反复粘去感光树脂上的石墨，最后将留在树脂表面的石墨在酒精中溶解。稀释成悬浮有石墨烯的溶液，再用表面覆盖有100或300nm厚SiO2层的硅单晶捞取[1]。这种方法的优点是简单，不易产生结构缺陷，易保持分子结构；缺点是：这等同于“手工活”，费时费力，难以精确控制，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本，难于大规模制备。

金属衬底外延法

继成功剥离石墨烯之后，为了积极探求生长高质量大面积石墨烯，Alpha T. N’Diaye等探索了在Ir基底上外延生长石墨烯的新方法[12]。通过将乙烯分子吸附在Ir衬底表面，在高温（约1450℃）热分解，获得了高质量的石墨烯，均匀分布在衬底表面。这种方法获得了较高质量的石墨烯，石墨烯层数很薄