基本知識:石墨烯的幾種主流製作方法
發布時間:2016-12-06 責任編輯:sherry
【導讀】關guan於yu石shi墨mo烯xi及ji其qi應ying用yong領ling域yu,工gong作zuo原yuan理li等deng,很hen多duo地di方fang都dou有you講jiang解jie到dao,大da家jia也ye都dou應ying該gai知zhi道dao這zhe些xie,這zhe裏li不bu再zai複fu述shu,本ben篇pian主zhu要yao講jiang石shi墨mo烯xi的de製zhi作zuo方fang法fa。供gong大da家jia參can考kao學xue習xi!
針對原料和用途的不同,相應的有幾種不同方法。通常來講有氣相沉積法,氧化還原法,插層法。
氣象沉積法主要是含碳氣體(甲烷、依稀),在一定的溫度和壓力條件下,碳原子在生長基上附著,形成單層碳結構物質並逐漸生長。
優點:所得石墨烯結構好,尺寸不受原料的限製。缺點:製備過程複雜,生產效率低。
氧化還原法是利用氧化劑將石墨逐層氧化,利用超聲等方式將已氧化的層剝離。之後,利用還原劑將氧化石墨層還原,即得到石墨烯。
優點:成本低廉,生產效率較高。
缺點:製得石墨烯的尺寸由原料決定,所用氧化劑和還原劑有汙染環境的可能。
插層法是將插層物質填充到石墨的層間隙中,比以此克服層間範德華力,使得各層分散開,從而得到石墨烯。該方法仍處於研發階段。

微機械剝離法
石(shi)墨(mo)烯(xi)首(shou)先(xian)由(you)微(wei)機(ji)械(xie)剝(bo)離(li)法(fa)製(zhi)得(de)。微(wei)機(ji)械(xie)剝(bo)離(li)法(fa)即(ji)是(shi)用(yong)透(tou)明(ming)膠(jiao)帶(dai)將(jiang)高(gao)定(ding)向(xiang)熱(re)解(jie)石(shi)墨(mo)片(pian)按(an)壓(ya)到(dao)其(qi)他(ta)表(biao)麵(mian)上(shang)進(jin)行(xing)多(duo)次(ci)剝(bo)離(li),最(zui)終(zhong)得(de)到(dao)單(dan)層(ceng)或(huo)數(shu)層(ceng)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)。2004年,Geim,Novoselov等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯,證明了二維晶體結構在常溫下是可以存在的。
微機械剝離方法操作簡單、製(zhi)作(zuo)樣(yang)本(ben)質(zhi)量(liang)高(gao),是(shi)當(dang)前(qian)製(zhi)取(qu)單(dan)層(ceng)高(gao)品(pin)質(zhi)石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)主(zhu)要(yao)方(fang)法(fa)。但(dan)其(qi)可(ke)控(kong)性(xing)較(jiao)差(cha),製(zhi)得(de)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)且(qie)存(cun)在(zai)很(hen)大(da)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing),同(tong)時(shi)效(xiao)率(lv)低(di),成(cheng)本(ben)高(gao),不(bu)適(shi)合(he)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)。
外延生長法
外延生長方法包括碳化矽外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化矽外延生長法是指在高溫下加熱SiC單晶體,使得SiC表麵的Si原子被蒸發而脫離表麵,剩下的C原子通過自組形式重構,從而得到基於SiC襯底的石墨烯。
金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳氫化合物通入到具有催化活性的過渡金屬基底如Pt、Ir、Ru、Cu等(deng)表(biao)麵(mian),通(tong)過(guo)加(jia)熱(re)使(shi)吸(xi)附(fu)氣(qi)體(ti)催(cui)化(hua)脫(tuo)氫(qing)從(cong)而(er)製(zhi)得(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)。氣(qi)體(ti)在(zai)吸(xi)附(fu)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)長(chang)滿(man)整(zheng)個(ge)金(jin)屬(shu)基(ji)底(di),並(bing)且(qie)其(qi)生(sheng)長(chang)過(guo)程(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)自(zi)限(xian)過(guo)程(cheng),即(ji)基(ji)底(di)吸(xi)附(fu)氣(qi)體(ti)後(hou)不(bu)會(hui)重(zhong)複(fu)吸(xi)收(shou),因(yin)此(ci),所(suo)製(zhi)備(bei)出(chu)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)多(duo)為(wei)單(dan)層(ceng),且(qie)可(ke)以(yi)大(da)麵(mian)積(ji)地(di)製(zhi)備(bei)出(chu)均(jun)勻(yun)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)。
化學氣相沉澱CVD法:最具潛力的大規模生產方法
CVD法被認為最有希望製備出高質量、大麵積的石墨烯,是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法。化學氣相沉澱CVD法具體過程是:將碳氫化合物甲烷、乙醇等通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Nibiaomian,fanyingchixuyidingshijianhoujinxinglengque,lengqueguochengzhongzaijidibiaomianbianhuixingchengshucenghuodancengshimoxi,ciguochengzhongbaohantanyuanzizaijidishangrongjiejikuosanshengchangliangbufen。gaifangfayujinshucuihuawaiyanshengchangfaleisi,qiyoudianshikeyizaigengdidewenduxiajinxing,congerkeyijiangdizhibeiguochengzhongnengliangdexiaohaoliang,bingqieshimoxiyujidikeyitongguohuaxuefushijinshufangfarongyidifenli,youliyuhouxuduishimoxijinxingjiagongchuli。
現有製法還不能滿足石墨烯產業化的要求。包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉澱CVD法和氧化石墨還原法在內的眾多製備方法目前仍不能滿足產業化的要求。特別是產業化要求石墨烯製備技術能穩定、低成本地生產大麵積、純度高的石墨烯,這一製備技術上的問題至今尚未解決。
其他製備石墨烯的方法還有碳納米管切割法、石墨插層法、離子注入法、高溫高壓HPHT生長法、爆炸法以及有機合成法等。
製備大麵積、高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)較(jiao)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。雖(sui)然(ran)化(hua)學(xue)氣(qi)相(xiang)沉(chen)澱(dian)法(fa)和(he)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)法(fa)可(ke)以(yi)大(da)量(liang)的(de)製(zhi)備(bei)出(chu)石(shi)墨(mo)烯(xi),但(dan)是(shi)化(hua)學(xue)氣(qi)相(xiang)沉(chen)澱(dian)法(fa)在(zai)製(zhi)備(bei)後(hou)期(qi),對(dui)於(yu)石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)轉(zhuan)移(yi)過(guo)程(cheng)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za),而(er)且(qie)製(zhi)備(bei)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao),另(ling)外(wai)基(ji)底(di)內(nei)部(bu)Cshengchangyulianjiewangwangcunzaiquexian。liyongyanghuahaiyuanfazaizhibeishi,youyudancengshimoxifeichangbo,rongyituanju,daozhijiangdishimoxidedaodianxingnengjibibiaomianji,jinyibuyingxiangqizaiguangdianshebeizhongdeyingyong,lingwai,yanghuahaiyuanguochengzhongrongyiyinqishimoxidejingtijiegouquexian,rutanhuanshangtanyuanzidediushideng。
製(zhi)法(fa)製(zhi)約(yue)石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業(ye)化(hua)。石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)各(ge)種(zhong)頂(ding)尖(jian)性(xing)能(neng)隻(zhi)有(you)在(zai)石(shi)墨(mo)烯(xi)質(zhi)量(liang)很(hen)高(gao)時(shi)才(cai)能(neng)體(ti)現(xian),隨(sui)著(zhe)層(ceng)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)和(he)內(nei)部(bu)缺(que)陷(xian)的(de)累(lei)積(ji),石(shi)墨(mo)烯(xi)諸(zhu)多(duo)優(you)越(yue)性(xing)能(neng)都(dou)將(jiang)降(jiang)低(di)。要(yao)真(zhen)正(zheng)的(de)實(shi)現(xian)石(shi)墨(mo)烯(xi)應(ying)用(yong)的(de)產(chan)業(ye)化(hua),體(ti)現(xian)出(chu)石(shi)墨(mo)烯(xi)替(ti)代(dai)其(qi)他(ta)材(cai)料(liao)的(de)優(you)越(yue)品(pin)質(zhi),必(bi)須(xu)在(zai)製(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)上(shang)尋(xun)求(qiu)突(tu)破(po)。隻(zhi)有(you)適(shi)合(he)工(gong)業(ye)化(hua)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)製(zhi)法(fa)出(chu)現(xian)了(le),石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業(ye)化(hua)才(cai)能(neng)真(zhen)正(zheng)到(dao)來(lai)。
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