基本知識:石墨烯的幾種主流製作方法
發布時間:2016-12-06 責任編輯:sherry
【導讀】guanyushimoxijiqiyingyonglingyu,gongzuoyuanlideng,henduodifangdouyoujiangjiedao,dajiayedouyinggaizhidaozhexie,zhelibuzaifushu,benpianzhuyaojiangshimoxidezhizuofangfa。gongdajiacankaoxuexi!
針對原料和用途的不同,相應的有幾種不同方法。通常來講有氣相沉積法,氧化還原法,插層法。
氣象沉積法主要是含碳氣體(甲烷、依稀),在一定的溫度和壓力條件下,碳原子在生長基上附著,形成單層碳結構物質並逐漸生長。
優點:所得石墨烯結構好,尺寸不受原料的限製。缺點:製備過程複雜,生產效率低。
氧化還原法是利用氧化劑將石墨逐層氧化,利用超聲等方式將已氧化的層剝離。之後,利用還原劑將氧化石墨層還原,即得到石墨烯。
優點:成本低廉,生產效率較高。
缺點:製得石墨烯的尺寸由原料決定,所用氧化劑和還原劑有汙染環境的可能。
插層法是將插層物質填充到石墨的層間隙中,比以此克服層間範德華力,使得各層分散開,從而得到石墨烯。該方法仍處於研發階段。

微機械剝離法
shimoxishouxianyouweijixiebolifazhide。weijixiebolifajishiyongtoumingjiaodaijianggaodingxiangrejieshimopiananyadaoqitabiaomianshangjinxingduociboli,zuizhongdedaodancenghuoshucengdeshimoxi。2004年,Geim,Novoselov等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯,證明了二維晶體結構在常溫下是可以存在的。
微機械剝離方法操作簡單、製zhi作zuo樣yang本ben質zhi量liang高gao,是shi當dang前qian製zhi取qu單dan層ceng高gao品pin質zhi石shi墨mo烯xi的de主zhu要yao方fang法fa。但dan其qi可ke控kong性xing較jiao差cha,製zhi得de的de石shi墨mo烯xi尺chi寸cun較jiao小xiao且qie存cun在zai很hen大da的de不bu確que定ding性xing,同tong時shi效xiao率lv低di,成cheng本ben高gao,不bu適shi合he大da規gui模mo生sheng產chan。
外延生長法
外延生長方法包括碳化矽外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化矽外延生長法是指在高溫下加熱SiC單晶體,使得SiC表麵的Si原子被蒸發而脫離表麵,剩下的C原子通過自組形式重構,從而得到基於SiC襯底的石墨烯。
金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳氫化合物通入到具有催化活性的過渡金屬基底如Pt、Ir、Ru、Cu等deng表biao麵mian,通tong過guo加jia熱re使shi吸xi附fu氣qi體ti催cui化hua脫tuo氫qing從cong而er製zhi得de石shi墨mo烯xi。氣qi體ti在zai吸xi附fu過guo程cheng中zhong可ke以yi長chang滿man整zheng個ge金jin屬shu基ji底di,並bing且qie其qi生sheng長chang過guo程cheng為wei一yi個ge自zi限xian過guo程cheng,即ji基ji底di吸xi附fu氣qi體ti後hou不bu會hui重zhong複fu吸xi收shou,因yin此ci,所suo製zhi備bei出chu的de石shi墨mo烯xi多duo為wei單dan層ceng,且qie可ke以yi大da麵mian積ji地di製zhi備bei出chu均jun勻yun的de石shi墨mo烯xi。
化學氣相沉澱CVD法:最具潛力的大規模生產方法
CVD法被認為最有希望製備出高質量、大麵積的石墨烯,是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法。化學氣相沉澱CVD法具體過程是:將碳氫化合物甲烷、乙醇等通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表(biao)麵(mian),反(fan)應(ying)持(chi)續(xu)一(yi)定(ding)時(shi)間(jian)後(hou)進(jin)行(xing)冷(leng)卻(que),冷(leng)卻(que)過(guo)程(cheng)中(zhong)在(zai)基(ji)底(di)表(biao)麵(mian)便(bian)會(hui)形(xing)成(cheng)數(shu)層(ceng)或(huo)單(dan)層(ceng)石(shi)墨(mo)烯(xi),此(ci)過(guo)程(cheng)中(zhong)包(bao)含(han)碳(tan)原(yuan)子(zi)在(zai)基(ji)底(di)上(shang)溶(rong)解(jie)及(ji)擴(kuo)散(san)生(sheng)長(chang)兩(liang)部(bu)分(fen)。該(gai)方(fang)法(fa)與(yu)金(jin)屬(shu)催(cui)化(hua)外(wai)延(yan)生(sheng)長(chang)法(fa)類(lei)似(si),其(qi)優(you)點(dian)是(shi)可(ke)以(yi)在(zai)更(geng)低(di)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)進(jin)行(xing),從(cong)而(er)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)製(zhi)備(bei)過(guo)程(cheng)中(zhong)能(neng)量(liang)的(de)消(xiao)耗(hao)量(liang),並(bing)且(qie)石(shi)墨(mo)烯(xi)與(yu)基(ji)底(di)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)化(hua)學(xue)腐(fu)蝕(shi)金(jin)屬(shu)方(fang)法(fa)容(rong)易(yi)地(di)分(fen)離(li),有(you)利(li)於(yu)後(hou)續(xu)對(dui)石(shi)墨(mo)烯(xi)進(jin)行(xing)加(jia)工(gong)處(chu)理(li)。
現有製法還不能滿足石墨烯產業化的要求。包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉澱CVD法和氧化石墨還原法在內的眾多製備方法目前仍不能滿足產業化的要求。特別是產業化要求石墨烯製備技術能穩定、低成本地生產大麵積、純度高的石墨烯,這一製備技術上的問題至今尚未解決。
其他製備石墨烯的方法還有碳納米管切割法、石墨插層法、離子注入法、高溫高壓HPHT生長法、爆炸法以及有機合成法等。
製備大麵積、高gao質zhi量liang的de石shi墨mo烯xi仍reng然ran是shi一yi個ge較jiao大da的de挑tiao戰zhan。雖sui然ran化hua學xue氣qi相xiang沉chen澱dian法fa和he氧yang化hua還hai原yuan法fa可ke以yi大da量liang的de製zhi備bei出chu石shi墨mo烯xi,但dan是shi化hua學xue氣qi相xiang沉chen澱dian法fa在zai製zhi備bei後hou期qi,對dui於yu石shi墨mo烯xi的de轉zhuan移yi過guo程cheng比bi較jiao複fu雜za,而er且qie製zhi備bei成cheng本ben較jiao高gao,另ling外wai基ji底di內nei部buCshengchangyulianjiewangwangcunzaiquexian。liyongyanghuahaiyuanfazaizhibeishi,youyudancengshimoxifeichangbo,rongyituanju,daozhijiangdishimoxidedaodianxingnengjibibiaomianji,jinyibuyingxiangqizaiguangdianshebeizhongdeyingyong,lingwai,yanghuahaiyuanguochengzhongrongyiyinqishimoxidejingtijiegouquexian,rutanhuanshangtanyuanzidediushideng。
製(zhi)法(fa)製(zhi)約(yue)石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業(ye)化(hua)。石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)各(ge)種(zhong)頂(ding)尖(jian)性(xing)能(neng)隻(zhi)有(you)在(zai)石(shi)墨(mo)烯(xi)質(zhi)量(liang)很(hen)高(gao)時(shi)才(cai)能(neng)體(ti)現(xian),隨(sui)著(zhe)層(ceng)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)和(he)內(nei)部(bu)缺(que)陷(xian)的(de)累(lei)積(ji),石(shi)墨(mo)烯(xi)諸(zhu)多(duo)優(you)越(yue)性(xing)能(neng)都(dou)將(jiang)降(jiang)低(di)。要(yao)真(zhen)正(zheng)的(de)實(shi)現(xian)石(shi)墨(mo)烯(xi)應(ying)用(yong)的(de)產(chan)業(ye)化(hua),體(ti)現(xian)出(chu)石(shi)墨(mo)烯(xi)替(ti)代(dai)其(qi)他(ta)材(cai)料(liao)的(de)優(you)越(yue)品(pin)質(zhi),必(bi)須(xu)在(zai)製(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)上(shang)尋(xun)求(qiu)突(tu)破(po)。隻(zhi)有(you)適(shi)合(he)工(gong)業(ye)化(hua)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)製(zhi)法(fa)出(chu)現(xian)了(le),石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業(ye)化(hua)才(cai)能(neng)真(zhen)正(zheng)到(dao)來(lai)。
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