化学气相沉积法制备石墨烯材料
氧化石墨烯制备原理
氧化石墨烯制备原理
氧化石墨烯是一种通过氧化石墨材料来制备的氧化物化合物。
它的制备过程中主要涉及到以下几个步骤：
1. 制备石墨烯：首先，需要从石墨原料中制备出石墨烯。
常用的方法有机械剥离法和化学气相沉积法。
其中，机械剥离法是利用物理力学的剥离方式，通过机械剥离器具将石墨原料一层层地剥离，最终得到单层石墨烯。
化学气相沉积法则是将石墨原料放置在特定的反应环境中，通过气相化学反应使石墨层逐渐剥离并沉积在基底上。
2. 氧化反应：将得到的石墨烯与氧气或氧化剂进行反应，使其氧化成氧化石墨烯。
在该步骤中，常用的氧化剂有硝酸和高锰酸钾等。
在反应过程中，氧化剂会与石墨烯中的碳原子发生氧化反应，从而使碳原子与氧原子结合形成氧化物键。
3. 氧化石墨烯的捕获和分离：制备出的氧化石墨烯往往以分散的形式存在于溶剂中。
因此，需要对其进行捕获和分离，以便进一步的应用研究。
常见的捕获和分离方法有离心法、过滤法和超声分散法等。
利用这些方法可以将氧化石墨烯从溶剂中分离出来，并得到所需的纯净产物。
综上所述，氧化石墨烯的制备原理主要包括制备石墨烯、氧化反应和氧化石墨烯的捕获和分离三个步骤。
这些步骤通过物理和化学的方式完成，最终得到具有特殊结构和性质的氧化石墨烯材料。
CVD生成石墨烯
化学气相沉积（CVD）法是近年来发展起来的，制备石墨烯的新方法，采用该法制备的石墨烯具有质量高尺寸大等优点，是实现工业化生产潜力最大的方法之一。
CVD法制备石墨烯的步骤石墨烯在金属催化剂表面的CVD 生长是一个复杂的多相催化反应体系。
该过程主要涉及以下几个基元步骤：(1) 烃类碳源在金属催化剂基底上的吸附与分解；(2) 表面碳原子向催化剂体相内的溶解以及在体相中的扩散；(3) 降温过程中碳原子从催化剂体相向表面的析出；(4) 碳原子在催化剂表面的成核及二维重构，生成石墨烯。
化学气相沉积生长石墨烯的基本步骤：（1）碳源在催化剂表面吸附；（2）碳源脱附；（3）碳源的脱氢分解；（4）碳原子在催化剂表面的迁移；（5）碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；（6）碳原子在高温下溶入金属体相；（7）碳原子在金属体内扩散；（8）降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成核生长石墨烯。
CVD法生成石墨烯的机理首先碳源在催化剂表层分解，形成碳原子，形成的碳原子一部分在催化剂表面直接成核形成石墨烯，另一部分碳原子渗透进入催化剂体相，并和金属形成合金。
当温度降低，碳在催化剂体相中的溶解度降低，高温时渗透进入的体相的碳原子就在催化剂表面析出，并优先在晶界、台阶等缺陷处成核形成石墨烯。
除去扩散进入金属体相的碳原子，碳源分解生成的部分碳原子会在金属表面直接形成石墨烯。
这是一个表面催化的过程，对于溶碳量较低的金属(如Cu)，其上石墨烯的生长主要遵循这种机理。
CVD生长石墨烯主要包括两个路径，一个路径是“直接生长”，催化裂解出来的碳原子直接在催化剂表面成核、进而生长成石墨烯薄膜；另一个路径则是“迂回生长”，催化裂解的表面碳原子渗透进入体相溶解后，再在表面析出，成核生长形成石墨烯薄膜。
两个平行生长路径的贡献，取决于金属催化剂的溶碳能力、金属碳化物的生成及其在生长温度下的化学稳定性。
CVD法制备石墨烯碳源的选择在金属催化基底作用下，常选用气态烃类碳源特别是甲烷(CH4)作为前驱体,用来生长单层石墨烯。
化学气相沉积技术制备石墨烯
化学气相沉积技术制备石墨烯石墨烯是由一层厚度不超过0.34纳米的碳原子构成的二维材料，其独特的电子结构使其具有出色的导电和导热性能，以及高度的机械强度和化学稳定性。
随着对石墨烯特性深入研究，其在电子器件、光电器件、传感器等领域的应用已经得到了广泛的关注。
然而，由于石墨烯的薄膜结构和高度的化学不活性，其制备过程相对困难，直接从大块石墨材料中剥离制备的单层石墨烯技术及其它制备方法均存在一定的限制。
化学气相沉积(CVD)技术是目前制备石墨烯的主流方法之一，该方法采用化学气相反应在晶体表面生长出石墨烯薄膜。
CVD法制备石墨烯的基本流程包括三个步骤: 供气、反应和退火。
在供气阶段，通过流量控制进行等量且准确的混气。
在反应过程中，分解的烃类分子在催化剂的作用下发生裂解反应生成碳原子。
最后，在退火过程中，石墨烯薄膜进行结晶，并在同步的气氛中去除溶胶和杂质，使石墨烯晶体化。
CVD技术制备石墨烯的主要优点是可以大面积、高效率地制备石墨烯，并且可以调控其厚度、晶格结构和形态等性质。
同时，该方法可以利用超薄石墨烯薄膜的传感性能，通过对气体、化学物质的敏感性进行研究来实现高侦测灵敏度的传感器。
然而，CVD技术也存在一些缺陷。
首先，该方法需要使用成本较高的催化剂，以及高温、大气压等条件，而这些设备的购买和维护成本较高。
其次，CVD方法制备出的石墨烯薄膜一般需要后续的化学、物理处理才能得到所需要的特性，同时其制备过程中可能会出现少量的缺陷和折叠，并影响其性能。
目前，CVD制备石墨烯技术的研究已经趋于成熟，不断提高其生产效率和质量，同时探索其更广泛的应用也是科学家们关注的焦点之一。
通过CVD制备的石墨烯薄膜的特性及其应用已经成为国际上的研究热点之一，特别是在新型光电器件、传感器、生物医学等领域，其应用前景十分广阔，未来还将重点关注CVD制备石墨烯技术在材料分析方面的应用，因为石墨烯材料的精细结构以及其表面化学反应的区别，石墨烯在材料性能分析和精细结构调控方面具有很大的潜力，这将进一步推动石墨烯的应用和发展。
化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
目 化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
材料科学与工程学院 院（系） 材料科学与工程 专业 学 号 12009317 陈玉明 倪振华 2013 年 2 月至 2013 年 6 月 田家炳楼
学生姓名 指导教师 起止日期 设计地点
东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明
本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
Ⅱ
目录
摘 要 ............................................................................................................................................... Ⅰ Abstract ............................................................................................................................................ Ⅱ 第一章 绪论 ......................................................................................................................................1 1.1 引言 .........................................................................................................................................1 1.2 石墨烯的结构与性质 ..............................................................................................................1 1.3 石墨烯的制备 .........................................................................................................................2 1.3.1 微机械剥离法...................................................................................................................2 1.3.2 氧化还原法.......................................................................................................................2 1.3.3 SiC 外延生长法 ..................................................................................................................2 1.3.4 化学气相沉积法 ...............................................................................................................3 1.4 石墨烯的表征..........................................................................................................................4 1.5 关于石墨烯的工作 ..................................................................................................................5 1.5.1 石墨烯透明导电薄膜 ........................................................................................................5 1.5.2 石墨烯传感器....................................................................................................................5 1.5.3 石墨烯场效应晶体管 ........................................................................................................5 第二章 CVD 石墨烯生长机理分析....................................................................................................7 2.1 石墨烯生长机理分析方法 .......................................................................................................7 2.2 管道气流分析..........................................................................................................................7 2.3 形核与生长分析......................................................................................................................8 2.4 本章小结 ............................................................................................................................... 11 第三章 石墨烯的生长..................................................................................................................... 13 3.1 实验的准备及设计 ................................................................................................................. 13 3.2 石墨烯生长的影响因素 ........................................................................................................ 14 3.2.1 混气比对石墨烯生长的影响 .......................................................................................... 15
石墨烯的化学气相沉积法制备
收稿日期:2010-12-31; 修回日期:2011-02-14 基金项目:国家自然科学基金(50872136,50972147,50921004)、中国科学院知识创新项目(K J C X 2-Y W-231). 通讯作者:任文才,研究员.E -m a i l :w c r e n @i m r .a c .c n ;成会明,研究员.E -m a i l :c h e n g @i m r .a c .c n ;高力波.E -m a i l :l b g a o @i m r .a c .c n 作者简介:任文才(1973-),男,山东东营人,博士,研究员,主要研究方向为石墨烯和碳纳米管的制备、物性和应用.E -m a i l :w c r e n @i m r .a c .c n文章编号: 1007-8827(2011)01-0071-10石墨烯的化学气相沉积法制备任文才, 高力波, 马来鹏, 成会明(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016)摘 要: 化学气相沉积(C V D )法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。
通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、S i C 外延生长法和C V D 方法)的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了C V D 法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来C V D 法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。
关键词: 石墨烯;制备;化学气相沉积法;转移中图分类号: T Q 127.1+1文献标识码: A1 前言自从1985年富勒烯[1]和1991年碳纳米管[2]被发现以来,碳纳米材料的研究一直是材料研究领域的热点,引起了世界各国研究人员的极大兴趣。
虽然碳的三维(石墨和金刚石)、零维(富勒烯)和一维(碳纳米管)同素异形体都相继被发现,但作为二维同素异形体的石墨烯长期以来被认为由于热力学上的不稳定性而难以独立存在,在实验上难以获得足够大的高质量样品,因此石墨烯的研究一直处于理论探索阶段。
石墨烯纳米片的制备及性质研究
石墨烯纳米片的制备及性质研究石墨烯是石墨的一种单层结构，它是一种新型的二维纳米材料，具有优异的物理、化学和机械性质。
石墨烯具有高的电导率、高的热导率、高强度、高的化学稳定性、透明和柔韧等特性，因此被广泛应用于化学、生物、电子、材料等领域。
本文将重点探讨石墨烯纳米片的制备及性质研究。
一、石墨烯纳米片的制备方法目前石墨烯制备的方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法和化学氧化法等。
下面我们分别介绍一下这几种方法。
1. 机械剥离法机械剥离法是一种制备石墨烯的最早方法，主要是利用图形石墨材料的机械剥离来获得单层石墨烯。
这种方法的原理是在嵌入一层胶带后，将其撕下，这样可以将石墨材料的一层单晶体剥离下来。
但是这种方法具有高成本、低产率和不利于规模化生产等缺点，因此不适用于大规模生产。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种较为成功的石墨烯制备方法，主要是通过将化学气源转化成石墨烯，在衬底上生长单层石墨烯。
这种方法的原理是在高温下将烷烃分子或其他含氢气体转化成碳源，从而生长出原子尺寸大小的石墨烯膜层。
这种方法具有成本低、量大、效率高等优点，可以用于规模化生产。
3. 化学还原法化学还原法是一种将氧化石墨烯还原成石墨烯的方法。
这种方法的原理是将氧化石墨烯在还原剂作用下还原成石墨烯，实现从红外吸收的金属氧化物到金属氧化物的转变。
4. 化学氧化法化学氧化法是一种将石墨材料在含有强氧化剂的酸性溶液中氧化成氧化石墨烯的方法。
这种方法的原理是氧化剂可以将石墨材料中的碳原子中心的轨道变成氧原子的轨道而转化成氧化石墨烯，在水溶液中形成分散的纳米片。
二、石墨烯纳米片的性质研究石墨烯具有许多优异的物理、化学和机械性质，具体如下：1. 电导率高石墨烯具有高达 1 × 10^5 S/cm 的电导率，这是金属的 100 倍以上。
这是因为石墨烯的电子能带结构与传统的半导体和金属材料有很大不同，其导带和价带相接，并呈现线性带结构，电子具有质量接近于零的状态。
石墨烯薄膜制备方法及应用
石墨烯薄膜制备方法及应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，它具有独特的物理、化学和电子性质，因此在许多领域都有广泛的应用潜力。
石墨烯薄膜制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学氧化剥离法等。
机械剥离法是制备石墨烯最早的方法之一，它通过机械剥离来获得石墨烯。
首先在晶体石墨表面涂上一层粘性的黏土或者导电的聚合物，然后使用胶带将其粘起来，再反复剥离，直到只剩下一个单层的石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量较高，但是效率比较低。
化学气相沉积法是目前制备石墨烯薄膜的主要方法之一。
该方法通过在金属基底上沉积碳源或者烷烃气体，在高温下控制化学反应，使得碳原子在金属基底上形成石墨烯薄膜。
化学气相沉积法具有高效、大面积制备石墨烯的优点，可以用于大规模制备。
但是这种方法所需要的高温、高真空等条件也限制了其在一些应用中的使用。
化学氧化剥离法是一种利用化学氧化将石墨材料氧化成氧化石墨烯，再通过还原将其还原成石墨烯的方法。
这种方法主要分为两步：首先是氧化石墨材料，将其氧化成氧化石墨烯；然后通过化学还原方法，将氧化石墨烯还原成石墨烯。
化学氧化剥离法制备石墨烯的过程相对简单，可以实现大面积制备，但是还原过程中可能会引入杂质，对杂质的去除需要额外的处理。
石墨烯薄膜在许多领域都有广泛的应用。
首先，由于石墨烯具有优异的电子传输性能，被广泛用于柔性电子器件的制备。
其次，石墨烯具有良好的机械性能，可以作为支撑阻挡、增强剂等材料广泛应用于复合材料领域。
此外，石墨烯还具有良好的热传导性能，可以作为导热材料在电子散热以及节能领域中应用。
此外，石墨烯还可以用于传感器、催化剂、储能材料等领域。
总之，石墨烯薄膜制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学氧化剥离法等，每种方法都有其独特的优势和适用范围。
石墨烯薄膜在柔性电子器件、复合材料、散热应用、储能材料等领域有广泛的应用前景。
然而，目前石墨烯薄膜的生产技术仍需要进一步完善，同时，石墨烯在实际应用中还面临着价格高昂、生产成本过高等问题，因此在实际应用中还需要进一步研究和改进。
化学气相沉积法制备石墨烯材料
化学气相沉积法制备石墨烯材料CVD法的基本过程如下：1.准备基底：选择合适的基底材料，例如金属箔（铜、镍等）或硅衬底。
2.清洗基底：使用适当的化学方法去除基底表面的杂质和氧化物，以确保表面干净。
3.加热基底：将基底放置在热处理炉中，使其达到适当的温度。
温度取决于所用的前体气体以及所需的石墨烯形成条件。
4.供应前体气体：将含有碳源的气体（例如甲烷、乙炔等）通过气流或者进料管道送入炉内，并与热基底表面上的金属发生反应。
5.反应过程：碳源气体在基底表面上分解，生成碳原子，并在热基底上扩散。
生成的碳原子随后通过化学反应在基底上重新组合，形成石墨烯结构。
6.石墨烯形成：在适当的条件下，石墨烯会开始在金属基底表面上生长。
通常，石墨烯以多层形式开始，并随后通过控制反应条件使其转变为单层石墨烯。
7.冷却和收集：待石墨烯生长完成后，慢慢降低温度，使基底和石墨烯冷却至室温。
如果需要分离石墨烯层，可以使用化学方法或机械方法分离。
CVD法制备石墨烯的优势在于具有较高的控制性和可扩展性。
通过调节反应温度、反应时间和气氛的成分，可以实现对石墨烯的厚度、结晶度和晶粒大小的控制。
此外，CVD法也可以在大面积基底上实现石墨烯的合成，具备工业化生产的潜力。
然而，CVD法也存在一些挑战和限制。
首先，CVD法需要昂贵的设备和复杂的操作，因此成本较高。
另外，CVD法制备的石墨烯通常需要通过化学方法或机械方法与基底分离，这可能会导致石墨烯的质量下降或损坏。
此外，CVD法制备的石墨烯往往在基底上存在大面积缺陷，对于一些应用，如柔性电子器件，缺陷的存在可能会造成问题。
尽管如此，CVD法仍然是制备石墨烯的重要方法之一，其在石墨烯研究领域和应用领域中具有广泛的应用前景。
通过进一步改进和优化CVD过程，并提高石墨烯的质量、控制性和成产率，可以推动石墨烯技术的发展和商业化应用。
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化学气相沉积法新材料的制备1 化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。
从理论上来说，它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。
淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。
1.1 化学气相沉积法的原理化学气相沉积法是利用气相反应，在高温、等离子或激光辅助灯条件下，控制反应器呀、气流速率、基板材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶化过程，从而或得纳米结构的薄膜材料。
CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。
通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，同时让高熔点物质可以在较低温度下制备。
1.2 分类用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料，包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。
采用各种反应形式，选择适当的制备条件—基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜才来。
通过反应类型或者压力来分类，可以将化学气相沉积法分为：低压CVD(LPCVD)，常压CVD(APCVD)，亚常压CVD(SACVD)，超高真空CVD(UHCVD)，等离子体增强CVD(PECVD)，高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD)，以及金属有机物CVD(MOCVD) 化学气相沉积的化学反应形式，主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。
具体表现如下表：表1-1 化学气相沉积的各种反应形式1.3 反应参数CVD反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。
所以在用CVD方法制备薄膜材料时，为了合成出优质的薄膜材料，必须控制好气体组成、工作气压、基板温度、气体流量以及原料气体的纯度等。
原料应选用室温下的气体或者具有很高蒸气压的固体和液体。
如果在室温下得不到很高的蒸气压，可以进行适当的加热；若在室温下蒸气压过高，可以进行适当冷却。
常用的原料是氢化物、卤化物、有机金属化合物、或者使用它们与氧化剂、还原剂的混合气体。
通过以上方法，使原料在沉积温度下保证足够的压力，以适当的速度引入反应时。
除需要的沉积物外，其他反应产物应是挥发性的。
气体的组成比对提高CVD膜的质量和均匀性相当重要。
在单质金属和硅薄膜的制备过程中，浓度和生长速度关系密切；制备化合物薄膜时，气体组成和薄膜组成由直接关系；制备氧化物和氮化物薄膜时，一般采用大于化学当量比的氧或NH3的浓度；采用卤族化合物的氢还原反应制备薄膜时，必须适当控制氢的浓度，防止可逆反应的发生。
控制CVD反应的最重要的参数是温度。
因此，用CVD法制备薄膜时一定要首先控制好温度。
CVD各种化学反应是在封管、开管或者减压条件下进行的。
封管法适合于化学输运反应，开管法是在大气压下供应反应气体的方法，利用减压法可以制备均匀的薄膜。
单片淀积工艺推动并导致产生了新的CVD反应室结构。
这些新的结构中绝大多数都使用了等离子体，其中一部分是为了加快反应过程，也有一些系统外加一个按钮，以控制淀积膜的质量。
在PECVD和HDPCVD系统中有些方面是通过调节能量，偏压以及其它参数，可以同时有沉积和蚀刻反应的功能。
通过调整淀积:蚀刻比率，有可能得到一个很好的缝隙填充工艺。
1.4 CVD反应CVD反应过程为：反应气体到达基板，反应气体分子吸附在基板表面，在基板表面发生化学反应、成核。
生成物脱离基板表面，生成物在基板表面扩散。
比如TaCl5的氢气还原你方法外延生长薄膜的反应过程，是在气相中发生如下反应：2TaCl5+5H2→2Ta+20HCl生成物Ta，吸附在基板表面，而产生的HCl从基板表面脱离除去，在基板上就形成了Ta薄膜。
1.5 CVD装置CVD装置根据实验种类、实验室应用、工业生产应用而不同。
但是。
各种类型的CVD装置的基本结构和原理都是一样的。
对CVD 法最常使用的反应室是一个简单的管式炉结构。
管式炉被广泛地应用于沉积诸如Si3N4和二氧化硅之类的基础薄膜(氧气中有硅元素存在将会最终形成为高质量的SiO2，但这会大量消耗硅元素；通过硅烷和氧气反应也可能沉积出SiO 2(两种方法均可以在管式炉中进行)。
选用CVD 装置主要应当考虑：①反应室的形状和结构；②加热方法和加热温度；③气体供应方式；④基板材质和形状；⑤气密性和真空度；⑥原料气体种类；⑦产量和重复性。
CVD 装置是由反应室、加热系统、气体流量控制系统、蒸发容器、排气系统和排气处理系统组成。
反应室结构的考虑主要是为了制备均匀你的薄膜，CVD 反应室在基板表面上的反应。
因此在制备薄膜过程中，应当抑制在气相中的反应，向基板表面供应足够的反应气体，而且同时讯孙抽调反应生成物气体。
反应室一般采用水平型、垂直型和圆筒型。
如下图：图1- CVD 装置草图水平反应室（a ）产量高，但膜的均匀度不好；垂直反应室（b ）采用基板的转动系统，可以得到均匀薄膜，但是产量低。
一般采用圆筒型反应室（c ）以解决上述的缺陷，同时为满足自动化生产，还有研究人员开发了传动带式CVD 装置。
CVD 装置的加热方式有电加热、高频诱导加热、红外辐射加热和激光加热等。
2 石墨烯的制备石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。
用石墨烯取代硅，计算机处（a ） （c ）（b ）理器的运行速度将会快数百倍。
另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。
另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。
这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为"黑金"，是"新材料之王"，科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
2.1 石墨烯的基本特性2.1.1 力学性能（1）超高强度由石墨层间分离得到的单层石墨烯，其硬度甚至大于莫氏硬度高达10的金刚石，他的强度是高品质钢材强度的100倍。
哥伦比亚大学的物理学家通过对石墨烯进行加压，对石墨烯机械特性进行了全面的研究，发现石墨烯的弹性模量高达1Tpa，抗拉强度达到了180GPa。
（2）超高韧性石墨烯的结构非常稳定，内部的碳原子之间的连接非常紧密，当石墨烯表面施加一定的外力时，碳原子面会发生相应的弯曲变形。
研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100nm 距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9μN，相当于要使1米长的石墨烯断裂，必须施加至少55N的压力。
即厚度相当于普通食品塑料包装袋的(~100 nm)石墨烯包装袋将能承受大约两吨重的物品。
2.1.2 电学性能石墨烯中电子静止质量为零，其电子迁移率超过了在其他金属或者半导体中的迁移速率，可以达到光速的1/300，与光子类似。
表明石墨烯中的电子的运动性质和相对论性的中微子十分类似。
石墨烯电子迁移率超过硅的100倍以上，同时由于石墨烯晶格震动对电子散射的影响很小，所以其电子迁移率几乎不受温度变化的影响。
此外，石墨烯在室温下能观测到量子霍尔效应。
有研究表明：在室温状态下，石墨烯具有惊人的高电子迁移率，其数值超过15000cm2V−1s−1[1]。
在室温和载流子密度为1012cm−2时，石墨烯的声子散射体造成的散射，将迁移率上限约束为200000cm2V−1s−1。
与这数值对应的电阻率为10−6Ω·cm，稍小于银的电阻率1.59×10−6Ω·cm[24]。
而在室温条件下银是电阻率最低的材料，所以石墨烯是一种优良的导体。
石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率和低噪声这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择。
2.1.3 光学性能由于石墨烯呈现蜂窝状紧密排列，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，光很容易穿透碳原子中的间隙呈现透明状态。
石墨烯只有单层原子厚度，其透光性也是其中载流子相对论性的体现。
石墨烯对于包括中远红外线在内的所有红外线均具备较高的高透过率，在新一代廉价大面积透明导电薄膜领域中被寄予厚望。
2.1.4 超大比表面积石墨烯因为其独特的二维结构使其具备非常大的比表面积，单层石墨烯的厚度理论值仅为0.335nm。
一般来说比表面积较高的多孔活性碳的比表面积保持在1500-2500m2/g范围内，而石墨烯的比表面积能够达到更加惊人的2500-3000m2/g。
石墨烯超大的比表面积使其在光催化降解、新能源领域、和生物医药等领域中具有非常广阔的应用前景。
2.1.5 热学性能通常室温下纯Cu的热导率为401Wm−1K−1。
而石墨烯的热导率高达5000Wm−1K−1，是金刚石的5倍，Cu的10倍多。
这一优异的导热性使石墨烯有望成为一种新型高性能散热材料，对微电子器件和大规模集成电路的散热提供了新方法。
2.2 石墨烯的制备机制石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、SiC分解法、化学气相衬底生长法、氧化石墨还原法等。
在众多石墨烯制备方法中，化学气相沉积法(CVD法)在制备高质量、大面积的石墨烯方面显示出优势。
化学气相沉积是目前制备大面积石墨烯的技术。
2.2.1 CVD石墨烯原理将含碳的气体如甲烷、乙炔等在铜，镍，铂等衬底上分解并在金属衬底上生长得到大面积石墨烯。
实验中是将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底温度达到500~1200℃，向所属反应容器充入含碳物质，得到石墨烯。
图2-1 石墨烯CVD法制备示意图生长石墨烯所用的衬底主要有金属、合金或金属氧化物，可为金、银、铜、铁、钴、镍、锌、氯化铜、氯化铁、硝酸铁、氧化锌、硫化锌等等。