文四川省綿陽(yáng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校2016級(jí)23班 李鳴禧

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料，所以又叫單原子層石墨。由于具備良好的強(qiáng)度、韌性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及光學(xué)特性，石墨烯在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

雖然科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并成功獲得了石墨烯，但現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)石墨烯的效率低、成本高，使得石墨烯的價(jià)格一直居高不下，不利于石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，石墨烯的主要制取方法有粉體生產(chǎn)法和薄膜生產(chǎn)法。粉體生產(chǎn)法主要有機(jī)械剝離法、氧化還原法、SIC外延法，薄膜生產(chǎn)法主要是化學(xué)氣相沉積法。

粉體生產(chǎn)法中的機(jī)械剝離法效率過(guò)低，氧化還原法生產(chǎn)出的石墨烯質(zhì)量不好，SIC外延法對(duì)設(shè)備的要求較高?；瘜W(xué)氣相沉積法的成本較高，工藝也不完善。

我想對(duì)粉體生產(chǎn)法中的機(jī)械剝離法進(jìn)行改良。2004年，科學(xué)家在一次偶然的情況下想到用膠粘石墨，把膠撕下來(lái)就能得到一片石墨烯。既然可以用膠粘下一片石墨烯，我們能不能也想一種方法，一層層地將石墨烯從石墨上剝離？

一、設(shè)計(jì)方案

圖1

1.如圖1所示，將一塊石墨放進(jìn)水中，要求此石墨的每一層都處于水平位置。

2.將其冷凍，待水結(jié)冰后拿出，削去上層的冰塊，讓石墨的頂端平面與冰面在同一平面上。

3.用一塊加熱到一定溫度（此溫度需要實(shí)驗(yàn)測(cè)得，為最佳溫度）的鐵片（或其他材質(zhì)，此材質(zhì)的最終確定也需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)），將其置于冰的表面高速滑過(guò)。稍加熱鐵片，所得石墨烯會(huì)自動(dòng)從鐵片脫落。

4.重復(fù)以上操作，可制得大量石墨烯。

二、設(shè)計(jì)原理

圖2

如圖2所示，深色球?yàn)樗肿樱ù藭r(shí)為冰），淺色球?yàn)樘荚?，AB為鐵片。當(dāng)鐵片加熱后飛速滑過(guò)冰凍后的石墨表面時(shí)，冰剛好融化一層（此過(guò)程的溫度與鐵片滑過(guò)的速度應(yīng)精確控制），此時(shí)的第一層碳原子會(huì)吸附在鐵片上，因?yàn)樗椒较蛴休^大的摩擦力（如同兩片中間有水的玻璃，由于大氣壓力與分子間作用力的共同作用，其間的吸附力與摩擦力都很大），鐵片將帶動(dòng)第一層碳原子與它一起運(yùn)動(dòng)，可第一層碳原子又與第二層碳原子間有范德華力，使得第一層碳原子想帶動(dòng)下面幾層一起運(yùn)動(dòng)。

由于石墨材料分層結(jié)構(gòu)的特性，層間范德華力較弱，且第二層冰未融化繼而阻止了第二層碳原子的移動(dòng)，所以第一層碳原子就從碳?jí)K上脫離到高速運(yùn)動(dòng)的鐵片上。

加熱的鐵片冷卻后，由于石墨烯與鐵片在受熱時(shí)形變不同，石墨烯部分位置與鐵片發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)且兩者之間的大氣壓力消失，使得石墨烯從鐵片上脫落，從而制得大量石墨烯。