[發明專利]一種集剝離、分離和還原過程于一體的石墨烯制備方法

無效

• 申請號: 201110103270.1
• 申請日: 2011-04-25
• 公開（公告）號: CN102167312A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 張東
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及一種石墨烯的一體化制備方法。

背景技術

石墨烯諸多優異的力學、電學、熱學等性能，使其在復合材料、微納米器件等領域具有廣闊的應用前景。石墨烯二維平面內的碳原子之間以σ鍵相連，賦予了其極高的彈性模量、強度等力學性能。石墨烯的彈性模量可達1.01?TPa。單層石墨烯可作為透射電鏡的樣品載物膜，觀測到了氫原子的圖像，優異的力學性能使得石墨烯在納米機械器件領域也具有廣泛的應用前景。石墨烯中的載流子具有二維狄拉克費米子的典型特征，載流子的靜止質量為零，存在不規則量子霍爾效應，其載流子遷移率高達200,000?cm2V^-1s^-1，極高的載流子遷移率賦予了石墨烯超強的導電能力，使電子在亞微距離內運動不受散射，為制造極速轉換的晶體管提供了條件，有望用作制備石墨烯基場效應晶體管的原料，在納米電子器件具有潛在的應用價值和廣闊的應用前景，有望成為硅的替代品。此外石墨烯制備的探測器，有望實現單個分子或原子的探測。以石墨烯為原料制備的電容器電極，具有極高比電容（117F/g）和能量密度（31.9?Wh/kg），優于單層和多層納米碳管。石墨烯室溫下的導熱性能優于碳納米管（3000～3500?W·m^-1·K^-1），導熱率最大值為5300?W·m^-1·K^-1。極好的導熱性能使得石墨烯有望用作超大規模納米集成電路散熱材料。

石墨烯的制備是開展石墨烯研究與應用的前提，獲得層數一致、結構缺陷少的石墨烯，是石墨烯性能及其應用研究的基礎；大批量、廉價的制備方法是石墨烯可以實際工業應用的保證，制備特殊性能和結構的石墨烯也是保證石墨烯應用在不同領域的基礎。目前石墨烯制備方法包括微機械剝離法、外延生長法和化學法。

在微機械力剝離法中，用某種手段（如氧等離子體）在熱解石墨的表面引入一定缺陷（如刻蝕出高度約5?μm的小平臺），而后將其與另一種材料（如二氧化硅）進行摩擦，會產生一些細小的晶片，這些小晶片中就含有單層的石墨烯，借助光學顯微鏡和原子力顯微鏡就可找到單層的石墨烯。在微機械剝離法制備石墨烯片過程中，發現了層數不同、形貌差異較大的石墨片層。該方法首先制備眾多石墨細小晶片而后在其中尋找單層的石墨烯，不但篩選過程費時費力，而且所得石墨烯片的層數、形貌具有隨機性，難以控制。微機械剝離法制備石墨烯質量較好，一般稱其為純石墨烯（Pristine?graphene）。但是，微機械力剝離法的生產效率低，難以大規模生產。目前由該方法制備的石墨烯主要用于基礎研究。

外延生長法又可以分為兩類。一種是化學氣相沉積法，基本思路為：碳氫化合物在高溫（1000℃）下分解，沉積在鎳或過度金屬基片上，形成石墨烯片。第二種方法是熱解4H-SiC或者6H-SiC晶體，利用氫刻蝕技術處理4H-SiC或者6H-SiC晶體樣品，使其達到原子級別的平整度，而后在高真空中加熱到1000℃以去除表面的氧化物，最后在1400℃保溫一段時間，得到石墨烯片。盡管石墨烯片的層數主要影響因素是加熱溫度，橫向尺寸可以通過控制碳化硅晶體的形貌得以實現，但是所得產物的層數仍難以控制。該方法制備的石墨烯具有很高的結構完整性、長距離的相位相干性且彈性散射距離可達微米級，可用于制造納米尺度的電子器件。但由于其制備過程中需要高溫高真空的環境，致使其成本較高。化學法在石墨層間引入某些化學物質或化學基團，以降低石墨層間范德華力，便于將石墨剝離石墨烯片層。依據剝離的方式不同，化學法大體上分為三種：快速熱膨脹剝離法、超聲剝離法、快速熱膨脹超聲剝離法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種效率高、成本低、適于批量化生產的制備石墨烯的方法。

本發明從化學法制備石墨烯過程中剝離、分離和還原等三個過程入手，利用電場對氧化石墨進行剝離、分離和還原，并且實現剝離、分離和還原等三個過程一體化，提高石墨烯制備效率和質量，降低成本。