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二、技术有待成熟
1.技术成熟曲线
2.石墨烯分类
按层数
石墨烯按层数分类,其可分为:单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯。
石墨烯层数超过10层后,性质接近薄层体石墨。
按形态
石墨烯按产品形态可分为石墨烯薄膜、粉体/微片。
3.石墨烯特性
最薄最坚硬
单层石墨烯厚度只有0.335纳米,是头发直径的二十万分之一。
人类已知强度最高物质
杨氏模量、泊松比和抗拉伸强度分别反映了材料的抗形变、弹性和抗断裂的能力。
杨氏模量达到1TPa,与单壁碳纳米管相当;强度约为180GPa,是普通钢材的100倍;韧性是碳纤维的20倍;抗拉强度超过125GPa;硬度超过钻石。
导电性最强
石墨烯作为理想二维晶体材料,电子运动速度达到光速的1/300,电导率可达10^6𝑆/m,是室温下最好的导电材料,性能超过已知最好的导体银或铜。
载流子迁移率最高
石墨烯内部载流子迁移率可达2×10^5cm^2/Vs,是硅中电子迁移率的140倍,是未来各类导体、半导体电器元件的理想材料。
导热性最好
石墨烯是已知的导热系数最高的物质,理论导热率达到5300W/mK,是室温下导热最好的材料。
高透光性
单层石墨烯对光的吸收率仅为2.3%,且对任何波长都有效,打破了目前常用半导体化合物如砷化镓等的吸收带仅在可见光和近红外端的限制,可制备透明导电薄膜,替代ITO,用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及LED照明等。
超大比表面积
石墨烯具有2630m^2/g的超大比表面积,能够作为强力吸附剂与过滤材料,应用于环保、海水淡化等领域,还能充当储能材料负载。
4.石墨烯制备
在制备技术层面,氧化还原法与物理剥离法常被用作制备石墨烯粉体,而化学气相沉积法与外延生长法常被用作制备石墨烯薄膜。
机械剥离法获得诺贝尔奖
基本原理:机械剥离法是将高定向热解石墨薄片粘在胶带上,反复剥离,最终获得一系列不同层数的石墨烯纳米片。
技术优势:该方法高度可控,方法简单,成本低廉,可获得多层(10层以下)的石墨烯纳米片,尺寸最大可以达到10μm。
技术难点:无法控制石墨烯纳米片的大小、难以实现规模化生产。
CVD化学气相沉积法是薄膜制备主流工艺
基本原理:气相沉积法是以甲烷、乙醇作为气态碳源通入金属衬底表面,一段时间反应后碳源在金属衬底上分解、淀积出不同层数的石墨烯,最后用化学刻蚀的方法分离石墨烯与衬底,得到石墨烯产品。
技术优势:石墨烯品质高,有利于大面积生产,产品直接得到石墨烯薄膜,再加工工艺简单。
技术难点:石墨烯存在缺陷,尺寸偏小,工艺处理温度较高,对碳源、衬底的研究正在起步。
氧化还原法是粉体制备主流工艺
基本原理:先利用强氧化剂(高锰酸钾、浓硫酸)与溶液中石墨反应,使石墨片层间带上羧基、羟基等基团,生成氧化石墨。随后将氧化石墨分散于溶剂或水中,使用超声波振荡处理,形成分散均匀的单层氧化石墨烯分散液。接着使用不同的还原剂或还原方法对氧化石墨烯进行还原,以除去片层上的大多数含氧官能团,最后得到石墨烯。
技术优势:目前研究最为成熟、应用最为广泛的方法,成本低、产率高、周期短等优点,是一种极具潜力的大规模制备石墨烯的途径。
技术难点:该法由于加入了强氧化剂、强还原剂,对石墨烯结构有很大破坏,产品缺陷很多,不适合用作如精密的电子器件等对石墨烯纯度和质量要求较高的制品原料。
外延生长法成本高昂,主要用于半导体电子器件
基本原理:分为碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。
碳化硅外延生长法是在超真空、高温条件下,通过碳化硅热解来制备SiC衬底的石墨烯材料,主要用于生产半导体用石墨烯。
金属催化外延生长法
在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底(如Pt、Ir、Ru、Cu等)表面,通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。
技术优势:可以大面积地制备出均匀的石墨烯,结合纳米光刻技术,制备出图案化的纳米石墨烯结构,在制备碳基的纳米电子器件的电子领域优势明显。
技术难点:单晶SiC的价格昂贵,生长条件苛刻,且石墨烯无法与SiC衬底分离,金属外延生长法研究尚不充分,生产条件苛刻,成本高昂,且尚未解决单层石墨烯片缺陷问题。
5.专利
2010年诺贝尔物理学奖后,全球石墨烯专利申请数量急剧增长,石墨烯相关专利技术进入快速发展轨道。
专利研究方向主要集中于石墨烯的制备以及应用研究,应用研究中以复合材料和储能最多,其次是功能材料与传感器。
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