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石墨烯的制备、表征研究进展

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闫凯刘晓旭池红岩

摘要：石墨烯由于独特的单原子层二维结构及优异的性能，引起了众多学者研究兴趣，在材料、电子、化学、能源、生物医药等众多领域具有广阔的应用前景。通过查阅大量相关文献，总结了石墨烯的各种制备方法及其优缺点，概述了石墨烯的表征方法，展望了石墨烯巨大的应用空间，展示了石墨烯的研究方向，为后续研究石墨烯的工作提供了可借鉴的思路。

关键词：石墨烯制备表征

：TQ323：A：1674-098X（2014）03（a）-0002-02

随着科技的进步、时代的发展，具有特殊性质、优异性能材料的发现日趋增多。其中比较具有代表性的如高温超导体及碳纳米管的发现。英国曼彻斯特大学Geim研究小组于2004年首次制备出较为稳定的石墨烯[1]，掀起了全世界大范围石墨烯研究的热潮，自发现以来一直是材料学界研究的热点。如图1。正因为这种单原子层特殊结构使其蕴含着丰富而奇特的物理化学现象，使石墨烯表现出众多的优异性能。如优异的电学性能，突出的导热性能，超常的比表面积等。如此颇多奇异的性质，使得石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有广阔的应用前景[2]。

1石墨烯的制备方法

1.1机械剥离法

Geim等[1]于2004年采用微机械剥离法成功的从热解石墨表面分离出石墨烯。是将高定向热解石墨转移到玻璃衬底上，然后用透明胶带反复进行粘贴，将其剥离，最后将粘有石墨烯片层的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声振荡。单层石墨烯便在范德华力或毛细作用下吸附在单晶硅片上，从而成功地制备了单层二维的石墨。

1.2氧化—还原法

氧化石墨还原方法是目前最常用的方法，国内外研究人员均已作了大量的研究[3]。其中较为常见的是采用强酸将本体石墨进行氧化处理，通过强力超声或热力学膨胀进行剥离，利用化学还原方法将氧化石墨烯还原为石墨烯。氧化-还原法成本较低，应用较为广泛。但由于利用了氧化性较强酸，因此对所制备的产物引入了诸多晶格缺陷，容易导致一些物理、化学性能的损失，尤其是导电性能下降。

1.3SiC分解法

以单晶6H-SiC为原料，在超低真空（1×10-10Torr）、高温（1200～1450℃）条件下，恒温1～20min，热分解其中的Si，可获得受温度控制厚度的石墨烯片层膜。这种方法得到的石墨烯一般有两种，且均受到SiC衬底的影响。其中一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，导电性受到较大影响，另一种则是生长在C层上的石墨烯，有优良的导电能力。SiC分解法所需求条件苛刻（高温、高真空），且分离难度大，难成为优良的常规方法。

1.4化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是反应物质具有相当高的温度，并在气态条件下发生化学反应，生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面，从而制得固体材料的工艺技术。作为制备半导体薄膜材料的经典方法，化学气相沉积法也被广泛应用于石墨烯的制备。

1.5电化学法

近年来，研究人员将电化学方法引入石墨烯的制备当中，并取得了良好效果。VirendraV.Singh和Ching-YuanSu[4，5]等人通过将铂电极与铅笔芯或高定向热解石墨置于酸性溶液中，接通电源情况下将笔芯或热解石墨剥离，制得石墨烯产物。建立了绿色、快速、简捷、低成本的制备石墨烯的方法。产物的拉曼光谱图、扫描隧道显微镜等表征手段证实，具有极好的透光率和较高的导电性能。

2石墨烯的应用

由于石墨烯具有独特的结构和优异的性能，因此其应用前景可想而知。尤其在电子器件、光子传感器、基因测序、隧穿势垒材料等领域具有广泛的应用前景。

2.1电子器件

常温下石墨烯相比于硅片的高载流子迁移率高达近10倍，并且受温度和掺杂效应的影响很小，室温下表现出亚微米尺度的弹道传输特性，这是石墨烯作为电子器件最为突出的优势，将使电子工程领域中极具吸引力的“室温弹道场效应管”成为可能。也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域，如超级电容器、锂离子电池负极材料等。

2.2光子传感器

石墨烯将以光子传感器的身份呈现在世人面前，这种传感器可用于检测光纤中携带的大量信息，由硅担任此角色的时代似乎将要结束，取而代之的是石墨烯。有研究小组已透露出了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的将是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性，具有良好的视觉效果。

2.3基因电子测序

由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离，以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此石墨烯有望能实现直接的、快速的、低成本的基因电子测序技术。

2.4隧穿势垒材料

量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，未来