張魯一航

摘要：石墨烯這種近代被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，有著諸多穩(wěn)定的物理特性。它可以有效的與金屬化合物和金屬氧化物等進(jìn)行結(jié)合，從而被電極材料、生物學(xué)領(lǐng)域、超級(jí)電容器等相關(guān)的領(lǐng)域所廣泛的應(yīng)用。如何從石墨烯中獲取多層結(jié)構(gòu)且具備優(yōu)良的石墨烯性能原料，成為了石墨烯成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的制備前提和重要步驟。本文系統(tǒng)介紹了石墨烯制備的多種方法，以及對(duì)石墨烯的應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行了探討總結(jié)，并對(duì)石墨烯的相關(guān)制備方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞：石墨烯；制備方法；應(yīng)用的研究進(jìn)展

概述

曼徹斯特大學(xué)的相關(guān)人員通過對(duì)機(jī)械分離法的使用，第一次讓人們從更深入的角度認(rèn)識(shí)和了解了石墨烯，作為碳元素家族中的成員，石墨烯二維結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性使之獲得了高于其他同元素種族的關(guān)注度，這個(gè)表面積高達(dá) 2. 6 × 103 m2 /g和力學(xué)性能多達(dá) 1. 06 × 103 GPa的碳元素石墨烯，有著穩(wěn)定優(yōu)良的導(dǎo)電性，比目前投放市場(chǎng)使用的半導(dǎo)體中的銻化銦材料的遷移率高出了2倍之多。甚至是它所擁有的室溫量子隧道效應(yīng)和高光透射率，都成為各國科研前沿領(lǐng)域中所研究的熱點(diǎn)。

一、石墨烯的制備方法

（一）外延生長(zhǎng)法

讓石墨烯生長(zhǎng)于高溫加熱的大面積的單晶SiC上，在常壓下或者是超真空的狀態(tài)下脫除Si留下C，從而得到與其面積相仿的石墨烯薄層，這就是外延生長(zhǎng)制備的方法。在對(duì)這種方法研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，金屬類襯底（ 包括 Cu、Ni、Co、Ru、Au、Ag 等） 和非金屬類襯底（ 包括 SiC、SiO2、GaAs 等）都可以用作石墨烯的襯底材料。但盡管可用的材料種類繁多，但在使用外延生長(zhǎng)法的過程中所制得的石墨烯仍有著厚度不夠均一的現(xiàn)象，而且襯底材料使用種類的不同，也會(huì)一定程度上影響著石墨烯的生長(zhǎng)，因此，這種石墨烯的制備在方法上還有很大的提升空間。

（二）機(jī)械剝離法

作為最早的一種制備石墨烯的方式方法，機(jī)械剝離法也是石墨烯真正進(jìn)入我們大眾視野所使用的方法。通過對(duì)石墨片從石墨中進(jìn)行剝離和粘連，并通過附著在膠帶上的石墨片進(jìn)行同步撕開，對(duì)以上的步驟進(jìn)行重復(fù)的機(jī)械性的剝離操作，最終得到了僅有一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。這種簡(jiǎn)單的操作手法雖然可以最大限度的使石墨烯層變薄，但是的都的石墨烯卻是尺寸有限，價(jià)值石墨烯的層數(shù)無法控制，機(jī)械剝離法盡管有效卻產(chǎn)量不高。

（三）金屬催化法

氣態(tài)碳源或者是固態(tài)碳源在一定的壓強(qiáng)和溫度及催化劑的作用之下，從基底上直接生產(chǎn)石墨烯，這是金屬催化法的一種方式?；瘜W(xué)氣相沉積（ CVD） 法則是常用的另一種方式。

通過對(duì)高濃度的氫氣和低濃度的甲烷進(jìn)行常壓下的化學(xué)氣相沉淀，可以成功的制造出具有毫米級(jí)的六邊形單晶石墨烯所構(gòu)成的石墨烯薄膜。這種高質(zhì)量的石墨烯的制作方式，操作簡(jiǎn)單、無污染且速度快，可作為一種快速轉(zhuǎn)移高質(zhì)量石墨烯的普通使用方式，并且成本低廉的金屬基體還可重復(fù)使用。

但這種可以制備出大面積高質(zhì)量的石墨烯的方式，盡管效果明顯，但是仍存在著一些問題，由于碳元素的不可控，在制備石墨烯的過程中，無法對(duì)石墨烯的層數(shù)做出精確的控制。

（四）淬火法

淬火法的原理是通過對(duì)石墨進(jìn)行快速冷卻，使之產(chǎn)生內(nèi)外溫度差的應(yīng)力，從而使石墨的表面產(chǎn)生脫落和裂痕，得到石墨烯。和傳統(tǒng)的機(jī)械剝離相比，淬火法可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的石墨烯，但是制備中所需的HOPG也無形中增加了制備石墨烯所需的成本。

除此之外，制備石墨烯的方法還有很多，其中包括電化學(xué)法、直接燃燒法、等等方法。但這些方法仍需很多的改進(jìn)，目前不能夠作為量化生產(chǎn)的常規(guī)方法。

二、石墨烯應(yīng)用研究的進(jìn)展

（一）石墨烯與超級(jí)電容器

超級(jí)電容器包括贗電容器和雙層電容器以及非對(duì)稱電容器，這種新型的儲(chǔ)能裝置對(duì)于石墨烯材料的使用也是十分的頻繁，其中在雙層電容器中國的使用尤為突出。

（二）石墨烯與電極材料

美國西北大學(xué)的研究人員在對(duì)石墨烯新方法的使用上取得了突破性的進(jìn)展。并將這種具有化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性的石墨烯應(yīng)用于折疊式電子設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品中。這種制備方法的出現(xiàn)，可以大量的生產(chǎn)石墨烯，因此在打印電極的設(shè)備中可以也得到更好的應(yīng)用。

由于石墨烯具備多種優(yōu)異的性能，在日后的制備和應(yīng)用能夠中必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

結(jié)語

針對(duì)石墨烯特性的分析，以及對(duì)石墨烯的制備方式的闡述，我們可以發(fā)現(xiàn)這種具有諸多性能的碳原子，可以在電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。以石墨烯為中心的各項(xiàng)研究成果的展現(xiàn)，也將進(jìn)一步推進(jìn)工業(yè)化時(shí)代的發(fā)展。這是也是符合時(shí)代進(jìn)程的必然趨勢(shì)。相信在未來的研究中，石墨烯不僅僅是電子市場(chǎng)中的佼佼者，在電池、新型電子設(shè)備芯片和汽車新能源等方面會(huì)有著更加廣闊的發(fā)展空間。

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