[发明专利]一种集剥离、分离和还原过程于一体的石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨烯的一体化制备方法。

背景技术

石墨烯诸多优异的力学、电学、热学等性能，使其在复合材料、微纳米器件等领域具有广阔的应用前景。石墨烯二维平面内的碳原子之间以σ键相连，赋予了其极高的弹性模量、强度等力学性能。石墨烯的弹性模量可达1.01 TPa。单层石墨烯可作为透射电镜的样品载物膜，观测到了氢原子的图像，优异的力学性能使得石墨烯在纳米机械器件领域也具有广泛的应用前景。石墨烯中的载流子具有二维狄拉克费米子的典型特征，载流子的静止质量为零，存在不规则量子霍尔效应，其载流子迁移率高达200,000 cm2V^-1s^-1，极高的载流子迁移率赋予了石墨烯超强的导电能力，使电子在亚微距离内运动不受散射，为制造极速转换的晶体管提供了条件，有望用作制备石墨烯基场效应晶体管的原料，在纳米电子器件具有潜在的应用价值和广阔的应用前景，有望成为硅的替代品。此外石墨烯制备的探测器，有望实现单个分子或原子的探测。以石墨烯为原料制备的电容器电极，具有极高比电容（117F/g）和能量密度（31.9 Wh/kg），优于单层和多层纳米碳管。石墨烯室温下的导热性能优于碳纳米管（3000～3500 W·m^-1·K^-1），导热率最大值为5300 W·m^-1·K^-1。极好的导热性能使得石墨烯有望用作超大规模纳米集成电路散热材料。

石墨烯的制备是开展石墨烯研究与应用的前提，获得层数一致、结构缺陷少的石墨烯，是石墨烯性能及其应用研究的基础；大批量、廉价的制备方法是石墨烯可以实际工业应用的保证，制备特殊性能和结构的石墨烯也是保证石墨烯应用在不同领域的基础。目前石墨烯制备方法包括微机械剥离法、外延生长法和化学法。

在微机械力剥离法中，用某种手段（如氧等离子体）在热解石墨的表面引入一定缺陷（如刻蚀出高度约5 μm的小平台），而后将其与另一种材料（如二氧化硅）进行摩擦，会产生一些细小的晶片，这些小晶片中就含有单层的石墨烯，借助光学显微镜和原子力显微镜就可找到单层的石墨烯。在微机械剥离法制备石墨烯片过程中，发现了层数不同、形貌差异较大的石墨片层。该方法首先制备众多石墨细小晶片而后在其中寻找单层的石墨烯，不但筛选过程费时费力，而且所得石墨烯片的层数、形貌具有随机性，难以控制。微机械剥离法制备石墨烯质量较好，一般称其为纯石墨烯（Pristine graphene）。但是，微机械力剥离法的生产效率低，难以大规模生产。目前由该方法制备的石墨烯主要用于基础研究。

外延生长法又可以分为两类。一种是化学气相沉积法，基本思路为：碳氢化合物在高温（1000℃）下分解，沉积在镍或过度金属基片上，形成石墨烯片。第二种方法是热解4H-SiC或者6H-SiC晶体，利用氢刻蚀技术处理4H-SiC或者6H-SiC晶体样品，使其达到原子级别的平整度，而后在高真空中加热到1000℃以去除表面的氧化物，最后在1400℃保温一段时间，得到石墨烯片。尽管石墨烯片的层数主要影响因素是加热温度，横向尺寸可以通过控制碳化硅晶体的形貌得以实现，但是所得产物的层数仍难以控制。该方法制备的石墨烯具有很高的结构完整性、长距离的相位相干性且弹性散射距离可达微米级，可用于制造纳米尺度的电子器件。但由于其制备过程中需要高温高真空的环境，致使其成本较高。化学法在石墨层间引入某些化学物质或化学基团，以降低石墨层间范德华力，便于将石墨剥离石墨烯片层。依据剥离的方式不同，化学法大体上分为三种：快速热膨胀剥离法、超声剥离法、快速热膨胀超声剥离法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高、成本低、适于批量化生产的制备石墨烯的方法。

本发明从化学法制备石墨烯过程中剥离、分离和还原等三个过程入手，利用电场对氧化石墨进行剥离、分离和还原，并且实现剥离、分离和还原等三个过程一体化，提高石墨烯制备效率和质量，降低成本。