综述石墨烯的制备与应用

半导体物理课程作业

石墨烯的制备与应用（材料）

目录

一、石墨烯概述 (2)

二、石磨烯的制备 (3)

1、机械剥离法 (3)

2、外延生长法 (5)

3、化学气相沉积法 (6)

4、氧化石墨-还原法 (6)

5、电弧法 (9)

6、电化学还原法 (9)

7、有机合成法 (10)

三、石墨烯的应用 (11)

1、石墨烯在电子器件领域的应用 (11)

1.1 石墨烯场效应晶体管 (11)

1.2 石墨烯基计算机芯片 (12)

1.3 石墨烯信息存储器件 (13)

2、石墨烯在能源领域的应用 (14)

2.1 石墨烯超级电容器 (14)

2.2 锂离子电池 (15)

2.3 太阳能电池 (16)

2.4 储氢/甲烷器件 (17)

3、石墨烯在材料领域的应用 (18)

3.1 特氟龙材料替代物 (18)

3.2 石墨烯聚合物复合材料 (18)

3.3 光电功能材料 (19)

4、石墨烯在生物医药领域的应用 (20)

4.1 基于氧化石墨烯的纳米载药体系 (20)

4.2 氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测 (21)

4.3用于生物成像技术 (23)

4.4 石墨烯在肿瘤治疗方面的应用 (23)

四、总结及展望 (24)

参考文献 (25)

一、石墨烯概述

碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值，从而为碳基材料的研究提供新的目标和方向。

碳的晶体结构—石墨和金刚石(三维)是自然界中最早为人们熟知的两种碳同素异构体，因化学成键方式不同而具有截然相反的特性。1985年，一种被称为“巴基

(零维)被首次发现，三位发现者于11年后, 即1996年获诺贝尔球”的足球形分子C

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化学奖。1991年，由石墨层片卷曲而成的一维管状结构: 碳纳米管被发现，发现者饭岛澄男(Sumio Iijima)于2008年获卡弗里纳米科学奖。石墨烯(Graphene)是只有一个原子层厚的单层石墨片，是石墨的极限形式。作为碳的二维晶体结构, 石墨烯的出现最终为人类勾勒出一幅点、线、面、体(从零维到三维)相结合的完美画面(图1)。

图1 碳的晶体结构

石墨烯作为一种独特的二维晶体，有着非常优异的性能：具有超大的比表面积，理论值为2630m2/g；机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；热导率为5300W·m-1·K-1，是铜热导率的10多倍；几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收；在电和磁性能方面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高

的电子迁移率。这些优异的性质，使得石墨烯在晶体管、太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。制备高质量的石墨烯和促进石墨烯的应用，是石墨烯领域的研究热点。本文综述了近些年在石墨烯的制备方法和应用研究方面取得的进展。

石墨烯的基本结构单元与石墨材料相同,构成石墨烯的每个碳原子与其他3个碳原子通过σ键相连接. 碳原子的排列也与石墨单原子层一样,形成如图2所示的结构,换言之,石墨烯就是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体,这些很强的C —C 键(sp 2)使石墨烯成为已知最为牢固的材料之一:单层石墨烯的厚度只有0.335nm,仅为头发丝直径的1 /200000,理论上,如果能够制作出厚度为100nm 的石墨烯,那么需要施加约200kN 的力才能够将其扯断。

(a)模型图 (b)HRTEM 图像

图2 石墨烯的结构

碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp 2键,即每个碳原子都贡献一个未成键的电子位于p z 轨道,近邻原子的p z 轨道与平面成垂直方向可形成π键,此时π键为半

填满状态,所以电子可在二维晶体内自由移动,赋予石墨烯良好的导电性和其他独特的电学性质。

二、石磨烯的制备

从发现稳定存在的石墨烯到现在七年多时间里，石墨烯在制备方面取得了长足的进步。目前制备石墨烯主要包括以下几种方法：

1、机械剥离法

该方法首先利用离子束在lmm 厚的高定向热解石墨表面用氧等离子干刻蚀进行

离子刻蚀。在表面刻蚀出宽2μm ～2 mm、深5μm的微槽，并将其用光刻胶粘到玻璃衬底上；然后用透明胶带进行反复撕揭，将多余的高定向裂解石墨HOPG（highly oriented pyrolitic graphite）去除；随后将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中作超声处理；再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，将单层石墨烯“捞出”。由于范德华力或毛细管力，单层石墨烯会吸附在单晶硅片上。利用这一方法成功制备了准二维石墨单层并观测到其形貌。将微机械剥离法制得的含有单层石墨烯的硅晶片放置于一个经过刻蚀的金属架上，用酸将硅晶片腐蚀掉，获得了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯。用透射电镜观测到其形貌，发现单层石墨烯并不是一个平整的平面，而是平面上面有一定高度(50 Å～100 Å)的褶皱。通过对单层石墨烯和双层石墨烯表面的褶皱程度的研究发现，石墨烯表面的褶皱可能是二维石墨烯存在的必要条件。单层石墨烯表面褶皱明显大于双层石墨烯，并且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小，趋于平滑。这是因为单层石墨烯片为降低其表面能量，由二维向三维形貌转换。尽管利用这种方法很难大规模制备石墨烯，而且尺寸不易控制，但是机械剥离法仍然是制备高质量石墨烯最有效的方法之一。Manchester大学Geim领导的研究组2004年在Science上发表论文,报道了他们用机械剥离法制备得到了最大宽度可达10μm的石墨烯片(图3)。

图3 机械剥离法制备石墨烯的示意图