石墨烯调研报告课案.ppt

* * * 石墨烯调研报告 王林 2016.04.11  一、石墨烯的发现 二、石墨烯特性 三、石墨烯制备方法 四、石墨烯应用领域 五、石墨烯产业链发展图 六、国内外主要生产石墨烯企业 七、中国石墨烯产业发展大事记 八、石墨烯产业发展趋势 目 录 一、石墨烯的发现： 2004年英国曼彻斯特大学的康斯坦丁?诺沃肖洛夫和安德烈? 盖姆教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人荣获2010年度的诺贝尔物理学奖，石墨烯从此出现在了人们视线中。 石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335nm，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1mm厚的石墨烯中将近有150万层左右的石墨烯。 石墨烯分子结构 电子显微镜下观测，其碳原子间距仅0.14纳米 富勒烯（左）和碳纳米管（中）可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的。 二、石墨烯特性： 石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。 三、石墨烯制备方法 ： 　　石墨烯目前仍处于发展阶段，全球范围内都没有实施大规模的量产，主要是由于还没有找到一种适合大规模生产的方法和途径，这也是石墨烯成本一直居高不下的原因。目前石墨烯的制备方法主要有：微机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法、溶剂热法、有机合成等。 1、微机械剥离法： 微机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。具体流程如下：首先利用氧离子等在1mm厚的高定向热解石墨（HOPG）表面进行离子刻蚀，当表面刻蚀出宽度在20um～2mm，深度在5um的微槽后将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，再用胶带进行反复撕揭，然后将多余的HOPG去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声一段时间，最后将单晶硅片放入丙酮溶液中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯捞出，从而获得石墨烯片。 通过粘贴Scotch胶带的“机械剥离法”制作石墨烯 2、外延生长法： 外延生长法是高温和超高真空中使得单晶碳化硅（SiC）中的硅原子蒸发，剩下的碳原子经过结构重排形成石墨烯单层或多层，从而得到石墨烯。外延生长法所获得的石墨烯面积较大，且质量较高，缺点是单晶SiC价格贵。 SiC热分解法制作的SiC基板上的石墨烯（右）， 实际分布有1～多层的石墨烯 3、氧化石墨还原法： 氧化石墨还原法是目前成本最低且最容易实现规模化生产的石墨烯制备方法。氧化石墨还原法是将天然石墨与强酸和强氧化物质反应生成氧化石墨（GO），经过超声分散制备成氧化石墨烯，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。 石墨烯氧化物和还原后的石墨烯氧化物的化学结构 4、化学气相沉积法： 化学气相沉积法的原理是为将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表面。具体方法是将含碳原子的气体有机物如甲烷（CH4） 、乙炔（C2H2）等在镍或铜等金属基体上高温分解，脱出氢原子的碳原子会沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。 Nature, Letters, 2009,457:07719 5、几种主要生产石墨烯方法的对比 制备途径 生产方法 产品尺寸 优点 缺点 是否适合产业化 Top-Down 微机械剥离法 中小尺寸 原料易得、操作相对简单，石墨烯的纯度高、缺陷较少、电学性能好 手工、费时、产率低 不易形成量产 液相剥离法 中尺寸 单层石墨烯产率不高、片层团聚严重 不易形成量产 氧化还原法 大尺寸 无法大面积，含氧功能团降低导电性能 可以大规模生产 Bottom-up SiC晶体外延生长 大尺寸 石墨烯的质量相对较高 制备条件苛刻，成本高产率低 适合小批量生产 化学气相沉积 大尺寸 工艺简单，所得石墨烯质量高、可实现大面积生长，并且较易于转移到各种基体上 成本高，工艺复杂，石墨烯某些电子特性会受到影响 可以大规模生产 有机合成 小尺寸 可实现石墨烯在分子尺度的结构操控，可加工性强 所得石墨烯的横向尺寸较小、产率低 不易形成量产 四、石墨烯应用领域 石墨烯应用评价 石墨烯产品 产品优势 石墨烯原材料质量要求/制备方法 推广过程中主要障碍 发展阶段 下游应用市场 导电油墨 性价比高（导电性优于碳基油墨，成本低于纳米金属油墨） 一般；氧化还 原，液相剥离 —— 非常成熟， 已经产