文档介绍：固体物理课程论文
Graghene--石墨烯
2010年10月25日
主要内容
石墨烯概述
一直以来,科学家们认为,单层的石墨烯是不可稳定能存在的。人们错误的认为,将石墨烯从石墨上剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构,而且固体的熔点随着粒子粒度的减小是要大大降低的,当减小到几个原子层厚时,固体将熔化。另外,在二维晶体中由于内能的存在,使原子的振动幅度很大,因此原子的错位将相当严重的,这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同,因此不能保持单层的结构。
英国Manchester大学的Geim教授和Novoselov教授用胶带粘附的方法来获得石墨的单晶面,并把这种方法发展到极限, 很快便制得了十个分子厚度的石墨,于是他们偿试着再去掉九层,并最终成功得到了单层的石墨烯,并在2004年的《Nature》上发表了关于石墨烯的研究成果。
石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯概述
. Geim
Professor of Physics at the
University of Manchester (UK) Condensed Matter &
Manchester Center for
Mesoscience and
Nanotechnology
K. Novoselov
Royal Society Research
Fellow in School of Physics &
Astronomy at
the University of Manchester
石墨烯概述
石墨烯的结构
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。
石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。
石墨烯中每一个碳原子与周围的三个碳原子之间以特殊的单键相连,剩余的一个电子可以自由移动。
石墨烯的制备方法
已报道的石墨烯制备方法主要有:
微机械分离法
金属衬底外延法
催化剂法
取向附生法—晶膜生长
化学剥离法
化学分散法
氧化石墨还原法
碳纳米管展开法
碳化硅外延法
石墨烯的制备方法
微机械剥离法
微机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法。首先将高定向热解石墨HOPG(highly-oriented pyrolytic graphite)置于氧离子束中轰击,去掉表面污染物。再采用胶带反复互粘,直到胶带纸上剩余的石墨层仅有几个原子层厚度,最后将带有100或300nmSiO2层的硅单晶在一定压力下紧压在胶带表面,获得层数较小的石墨烯。
2004年Novoselov等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。
优点:简单,不易产生结构缺陷,易保持分子结构;
缺点:这等同于“手工活”,费时费力,难以精确控制,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本,难于大规模制备。
金属衬底外延法
石墨烯的制备方法
通过将乙烯分子吸附在Ir衬底表面,在高温(约1450℃)热分解,获得了高质量的石墨烯,均匀分布在衬底表面。这种方法获得了较高质量的石墨烯,石墨烯层数很薄且结晶很好。
然而仍然存在以下几个缺点:首先是石墨烯单晶片的面积仅有100nm左右,其次是Ir很容易从衬底蒸发,并进一步在石墨烯表层重新结晶,这一过程严重影响了石墨烯的质量,并且使得下一步将石墨烯剥离金属衬底更加困难。
石墨烯的制备方法
催化剂法
为了使得制备的大面积石墨烯可以方便从衬底剥离,人们将过渡金属上的外延改成在其它衬底上镀上一层金属薄膜作为石墨烯成型的催化剂,这种方法不但能够促进石墨烯的形成,而且在镀膜过程中方便图案化石墨烯,并在随后的过程中将金属催化剂洗去,方便石墨烯从衬底剥离。
然而这种方法获得的石墨烯层数不能控制,很不均匀,并且多为多晶石墨烯,这就导致石墨烯的输运性质受到了很大的限制。该方法制备的石墨烯缺陷很多,晶界和缺陷对电子有非常大的散射,使得石墨烯薄膜的应用受到很大的限制。