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面向应用的石墨烯制备方法研究进展

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OFweek锂电网讯 二维石墨烯具有卓越的光、电、热和力学等性能,在众多传统产业和战略性新兴产业中有巨大的应用前景,被誉为下一代关键基础材料。然而,石墨烯产业化及应用的瓶颈性问题是如何高效率、规模化、低成本和环境友好地制备高质量石墨烯产品。

石墨烯是本世纪重点发展的新兴战略材料之一,具有结构稳定、导电性高、韧度高、强度高、比表面积超大等优异的物理化学性质(表1),可以大幅度提高复合材料的性能,实现复合材料在航天、军工、半导体以及新一代显示器等多个传统领域和战略性新兴产业领域的重要应用,被誉为下一代关键基础材料。

世界各国高度重视并皆将石墨烯提高到空前高度,投入大量人力、物力和财力抢占这一战略高地。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一。美国也将石墨烯视为同3D 打印技术同等重要的支撑未来科技发展的战略性产业。中国也在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。

1 面向应用的石墨烯制备方法

微机械剥离法

Geim 等利用氧等离子束先在高定向热解石墨表面刻蚀出宽20 μm~2 mm、深5 μm 的微槽,用光刻胶将其粘到玻璃衬底上进行焙烧,再用透明胶反复地从石墨上剥离出石墨薄片,放入丙酮溶液中超声振荡,再将单晶硅片放入丙酮溶剂中,由于范德华力或毛细管力,单层石墨烯会吸附在硅片上,从而成功地制备出单层的石墨烯。

该方法直接从石墨上剥离出少层或者单层石墨烯,简单易行,不需要苛刻的实验条件,得到的石墨烯保持着完美的晶体结构,缺陷少,质量高。缺点是石墨烯的生产效率极低,仅限于实验室的基础研究。

外延生长法

该方法以单晶6H-SiC 为原料,利用氢气刻蚀处理后,再在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定样品表面的氧化物被完全移除后, 在超低真空(1.333×10?8 Pa)、高温(1200~1450℃)条件下,恒温1~20 min,热分解去除其中的Si,在单晶(0001)面上分解出厚度受温度控制的石墨烯片。

该方法制备的石墨烯电导率较高,适用于对电性能要求较高的电子器件。主要缺点是该方法会产生难以控制的缺陷以及多晶畴结构,很难获得长程有序结构,难以制备大面积厚度单一的石墨烯。此外,制备条件苛刻、成本高,要在高压、真空条件下进行,分离难度大。

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