石墨烯的制備及應用的研究進展

張魯一航

摘要：石墨烯這種近代被發現的物質，有著諸多穩定的物理特性。它可以有效的與金屬化合物和金屬氧化物等進行結合，從而被電極材料、生物學領域、超級電容器等相關的領域所廣泛的應用。如何從石墨烯中獲取多層結構且具備優良的石墨烯性能原料，成為了石墨烯成功應用于各個領域的制備前提和重要步驟。本文系統介紹了石墨烯制備的多種方法，以及對石墨烯的應用的研究進展進行了探討總結，并對石墨烯的相關制備方法進行優缺點分析。

關鍵詞：石墨烯；制備方法；應用的研究進展

概述

曼徹斯特大學的相關人員通過對機械分離法的使用，第一次讓人們從更深入的角度認識和了解了石墨烯，作為碳元素家族中的成員，石墨烯二維結構的獨特性使之獲得了高于其他同元素種族的關注度，這個表面積高達 2. 6 × 103 m2 /g和力學性能多達 1. 06 × 103 GPa的碳元素石墨烯，有著穩定優良的導電性，比目前投放市場使用的半導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和高光透射率，都成為各國科研前沿領域中所研究的熱點。

一、石墨烯的制備方法

（一）外延生長法

讓石墨烯生長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，這就是外延生長制備的方法。在對這種方法研究的過程中，我們發現，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，但在使用外延生長法的過程中所制得的石墨烯仍有著厚度不夠均一的現象，而且襯底材料使用種類的不同，也會一定程度上影響著石墨烯的生長，因此，這種石墨烯的制備在方法上還有很大的提升空間。

（二）機械剝離法

作為最早的一種制備石墨烯的方式方法，機械剝離法也是石墨烯真正進入我們大眾視野所使用的方法。通過對石墨片從石墨中進行剝離和粘連，并通過附著在膠帶上的石墨片進行同步撕開，對以上的步驟進行重復的機械性的剝離操作，最終得到了僅有一層碳原子構成的石墨烯。這種簡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，價值石墨烯的層數無法控制，機械剝離法盡管有效卻產量不高。

（三）金屬催化法

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

通過對高濃度的氫氣和低濃度的甲烷進行常壓下的化學氣相沉淀，可以成功的制造出具有毫米級的六邊形單晶石墨烯所構成的石墨烯薄膜。這種高質量的石墨烯的制作方式，操作簡單、無污染且速度快，可作為一種快速轉移高質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使用。

但這種可以制備出大面積高質量的石墨烯的方式，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，無法對石墨烯的層數做出精確的控制。

（四）淬火法

淬火法的原理是通過對石墨進行快速冷卻，使之產生內外溫度差的應力，從而使石墨的表面產生脫落和裂痕，得到石墨烯。和傳統的機械剝離相比，淬火法可以在短時間內獲得大量的石墨烯，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，其中包括電化學法、直接燃燒法、等等方法。但這些方法仍需很多的改進，目前不能夠作為量化生產的常規方法。

二、石墨烯應用研究的進展

（一）石墨烯與超級電容器

超級電容器包括贗電容器和雙層電容器以及非對稱電容器，這種新型的儲能裝置對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

美國西北大學的研究人員在對石墨烯新方法的使用上取得了突破性的進展。并將這種具有化學穩定性和高導電性的石墨烯應用于折疊式電子設備和柔性電子產品中。這種制備方法的出現，可以大量的生產石墨烯，因此在打印電極的設備中可以也得到更好的應用。

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

結語

針對石墨烯特性的分析，以及對石墨烯的制備方式的闡述，我們可以發現這種具有諸多性能的碳原子，可以在電子產品中得到廣泛的應用。以石墨烯為中心的各項研究成果的展現，也將進一步推進工業化時代的發展。這是也是符合時代進程的必然趨勢。相信在未來的研究中，石墨烯不僅僅是電子市場中的佼佼者，在電池、新型電子設備芯片和汽車新能源等方面會有著更加廣闊的發展空間。

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