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石墨稀的制备与应用 专业：高分子化学与物理 姓名：杨琼 学号： 摘要：石墨烯（ Graphene )是由碳原子以sp2杂化连接而成的单原子层构成的二维原子晶体，它所具有的许多新颖而独特的性质与潜在的应用吸引了诸多科技工作者。本文主要综述目前已经报道或正在研究的石墨烯的各种制备方法及特点，并综合介绍石墨的主要应用。 关键词：石墨烯 制备 表征 应用 前言 近二十年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，2004年石墨烯的问世[1]充实了碳纳材料家族，为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的增长点。2004年至今，石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文。石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.334nm，以其奇特的性能引起了科学家的广泛关注和极大的兴趣，被预测很有可能在电子器件[2]、太阳能电池[3]、传感器[4]等很多领域引起革命性变化。石墨烯是构筑其它维度炭质材料的基本单元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管，层层堆积形成三维的石墨。但一直以来人们普遍认为严格的二维晶体结构的单层石墨烯由于热力学不稳定性而难以独立稳定的存在，目前我们研究的石墨烯并非都是单层碳原子构成，广义的石墨烯材料指由碳原子构成的具有几个原子层（小于10层）的晶体。 经研究发现，合成石墨烯的方法已有很多，如微机械剥离法[5]、外延生长法[6]、化学气相沉积法[7]、氧化—还原法[8]、有机合成法[9]以及必威体育精装版溶剂剥离法[10]和溶剂热法[11]。本文着重介绍了几种制备石墨烯方法的优缺点并总结了这些方法的实质，为规模化制备高质量石墨烯提出了新思路，并引用了大量必威体育精装版的参考文献介绍石墨烯的性质和近期应用概况。 1.石墨烯的性质 石墨稀的结构 在单层石墨烯中碳原子以六元环形式周期排列于石墨烯平面内，每个碳原子与其他3个碳原子通过δ键相连接，S、Px、Py三个杂化轨道强烈共价键合成SP2杂化结构，具有120o的键角，赋予石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道的#电子在与平面垂直的方向形成Π轨道，此Π电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性[12]。 图1.1 石墨烯结构示意图 石墨烯独特的结构决定了石墨烯具有很多优良性能，至今已发现石墨烯在电、光和磁等方面都具有的许多奇特的性质，如室温量子霍尔效应[13-15]、铁磁性[16-17]、超导性[18]和巨磁阻效应[19]。石墨烯是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。它还是一种没有能隙的半导体，电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。其机械强度高达130GPa[20]是已测试材料中最高的此外，石墨烯还具有超大的比表面积(2630m2／g)[21]。 2.石墨烯的制备 2.1 微机械剥离法 2004年，Geim等[1]首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。该研究首先利用氧等离子体的刻蚀作用．在厚度为1mm的高定向热解石墨的表面得到多个深度为5um的平台，再将刻蚀过的表面固定于光阻材料的平面上，将除平台以外的石墨结构去除。然后，研究人员用透明胶带反复地从己固定的平台上剥离石墨片层，直至该平面上剩下较薄的片层为止，并将其分散于丙酮溶液当中。再将表面为SiO2薄膜的硅基片于该溶液中浸渍片刻并超声洗涤，一些厚度小于10 nm的石墨片层在范德华力或毛细作用下紧密地固定在硅基片上。考虑石墨烯特殊的光学特性，研究人员使用了光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜的联合表征手段，从而清晰的观测到了多层和单层石墨烯的存在。 2.2 外延生长法 早在1970年，Eizenberg[22]就已经使用在镍基板表面热降解乙烯气制备出类似石墨烯的结构。Srivastava等[23]采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长花瓣状的纳米石墨片，发现微波功率大小对石墨片形貌有直接影响。随着微波功率增大，石墨片层减小，厚度仅为20 nm。此外，XRD衍射表明，这种“花瓣状的石墨片中含有较多的Ni元素。Zhu等[24,25]在调整等离子气沉积模式后，在不使用催化剂的情况下，利用电感耦合频射离子体化学气相沉积法，在多种衬底上垂直生长出了石墨烯薄膜，形态类似于前者报导的“花瓣状”纳米石墨片，但利用HRTEM观察发现垂直于衬底的单层石墨烯厚度仅为0.335nm并发现催化剂和衬底对合成