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1、石墨烯结构及其制备方法学院：机械学匸程与自动化学院班级：装备1302姓名:学号:目录石墨烯结构及制备方法1石墨烯的发现与结构1.2石墨烯的结构2石墨烯的制备方法2 1固相法2. 1. 1机械剥离法2. L2外延生长法2. 2气相法2. 3液相法2. 3. 1氧化还原法23, 2其他方法1石墨烯的发现与结构1. 1石墨烯的发现石墨烯出现在实验室屮是在2004年，当时，英国 曼彻斯特大学的两位科学家安徳烈杰姆和克斯特亚诺 沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越 薄的石墨薄片。他们从石墨屮剥离出石墨片，然后将薄 片的两而粘在一种特姝的胶带上，撕开胶带，就能把石 墨片一分为二。不断地这样操作
2、，于是薄片越来越薄， 最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是 石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法 层出不穷，经过 5年的发展，人们发现，将石墨烯带 入工业化生产的领 域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理 学奖。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性 能， 超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的岀现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石 墨烯屮，电子能够极为高效地迁務，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得 好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电 脑芯片以这种方式浪费了
3、 72%飞1%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具 有了非比寻常的优良特性。1.2石墨烯的结构简单地说，石墨烯指单层石墨层片，仅有一个厂、原子尺寸厚，由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的戸一tv 21也M倂一tv呂、水0_G蜂窝状晶体结构，石墨烯屮的碳-碳键长0. 142nm &（图14） o每个晶格内有三个。键，链接十分牢固，T-0形成了稳立的流变形状。垂直于晶而方向上的n键沱一0 在石墨烯导电的过程屮起到了很大的作用。石墨烯 是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元。可以 将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环芳婭的极限情况就 图ii碳六边形 是石墨烯。形象来说，石
4、墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像是一张六 边形网格构成的平面。在单层石墨烯屮，毎个碳原子通过sp2杂化与周囤碳原子城建构成正六边 形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环。每个碳原子都贡献出一个未成键电子。单层之摩西 厚度仅为0. 35nm.约为头发丝直径的二十万分之一。石墨烯的结构非常文栋，碳原子之间的链接及其柔韧。受到外力时，碳原子而发生玩去变 形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带的形式存在。纳米条带屮电荷在横向移动时会在屮性点附近产生一个能呈势垒，势 垒随条带宽度减小而增大。因此, 通过控制石墨烯条带的
5、宽度变可 以进一步得到需要的势垒。这一 特性是开发以石墨烯为基础的电 子器件的基础。1-2石墨烯纳米条带2石墨烯的制备方法2. 1固相法固相法是指碳源在固态下供给以生长石墨烯的一类方法。2. 1. 1机械剥离法石墨烯之间以较弱的范徳华力结合， 简单施加外力即可从石墨上直接将石墨烯“撕拉”下来。盖姆等人于2004年用一 种较简单的方法一机械剥离法成功的从高 楚向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯 薄膜。机械剥离法的主要思路是用胶带黏 住石墨片的两侧面反复剥离而获得石 烯。该方法得到的石墨烯宽度-般在 米至几十微米，最大可达米 量级，肉眼即 可观察到。2丄2外延生长法微机械玻璃法除了以咼定向热解右墨
6、为起始原料， 还有一种以SiC为原料的外延生长法，亦 可以归为固相法一类。例如，CBerger等人通过加热Sic,获得了单层和多层石墨烯，并研究了其性能.该方法是单晶4H或6HSiC的特 世晶而上热解脱除Si来制取石墨烯。将样品的表而进行氧化或氢化蚀刻后，在超低压高真空下 进行电子轰击加热到ioo(rc以去除表而的氧化物。然后升温至1250-1450r,保 持恒温l-20min. KP 可获得石墨烯薄片，其厚度由加热温度决世。2. 2气相法石墨烯的化学气相沉积法制备及其研究有利于把石墨烯的实验室研究转化为产业化应 用，具 有广阔的应用前景和巨大的商业价值。但现阶段较高的成本、复杂的工艺以及精确
7、的 控制加工条 件制约了化学气相沉积法制备石墨烯的发展，因此降低制备成本，优化制备工艺成了化学气相沉 积法制备高质量、大而积石墨烯用于工业生产应用的关键，本文就针对上述问题进行了深入的研 究。首先,通过逐个改变制备石墨烯时的反应温度、甲烷通虽和氢气通疑，分别探究反应温度、甲 烷通S和氢气通虽对制备岀的石墨烯质量的影响。通过比较不同温度、甲烷通S,氢气通量制备的 石墨烯的质量，得到了在常压下制备大而积高质量石墨烯的最佳实 验参量。这部分研究对在常压 下CVD法规模化制备高质量、大而积石墨烯提供了成本较低的简便有效的途径。其次，改变降温 时间制备不同的石墨烯样品，通过比较不同的石墨烯样品 的拉曼光
8、谱，探究化学气相沉积法制备 石墨烯的生长机制；实验发现随着降温时间的逐渐减少，制备的石墨烯的褶皱在减少，且分布逐渐 均匀，平整；最终发现用CVD法以葆片为催化金属 基底制备的石墨烯的生长机制是渗碳析碳机制。 再次，本文用之前在常压下得到的制备大而 积高质量石墨烯的最佳实验参量制备大面积石墨烯， 并用原子力显微镜，拉曼光谱，扫描电子显微镜对在常压下制备出的石墨烯进行了表征：同时利 用在生长有石墨烯的基底表而旋涂PMMA的方法，将石墨烯转移到目标基底上。最后，把在常压下 CVD法制备出的石墨烯和胶 带剥离法制备的石墨烯进行了简单的对比，发现CVD法适于制备犬面 积石墨烯，但CVD法制备出的石墨烯具
9、有缺陷，并没有胶带剥离法制备的石墨烯那么完美：CVD法 制备岀的石墨烯的 拉曼光谱的2D峰帐宽比胶带剥离法制签的石墨烯较宽，并对这些现象的原因进 行了解释。Wafer-scalo CVD graphene叫Larger rat n grapheneGraphene on CuthesisCVD graphene for OPV 多4 ii>2 n HI ： aw Length tpmm如 Ni (111)*)Z :Jd4t 5nZ 0 AMLargo-grain graphono FET£ 02丽 .'* io M f voitago fvt2-2 CVD法制备石墨烯T
10、ransferPMMA oodtingGrapher* Mn2. 3液相法23. 1氧化还原法石墨本身是一种憎水性的物质，经化学氧化得到边缘含有竣基、疑基，层间含有环氧及按基等 含氧基团的石墨氧化物(graphite oxide),此过程可使石墨层间距离从0. 34nm扩大到约0. 78nm,再 通过外力剥离(如超声剥离)得到单原子层厚度的石墨烯氧化物(graphene oxide),进一步还原可制 备得到石墨烯。这种方法制备的石墨烯(见图2)为独立的单层石墨烯片，产量高，应用广泛。HummerGraphiteR<»dMCtiorh4k外G raphe neGraphene oxide2-3氧化还原法原理示意图23. 2其他方法除了以上几种制备石墨烯的方法外，还有电化学方法、电弧法和有机合成法等一些英它 方 法，但是这些方法制备出的石墨烯层数和质量还有待进一步地深入探索。