苯胺盐酸盐在电泳沉积制备石墨烯薄膜中的应用(2)
图1.1 石墨烯的基本结构单元
石墨烯当前还处于研发阶段，任何材料的广泛应用都需要有低成本、大规模的制备方法。如今，石墨烯的制备仍是一个难题。各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期间，制备石墨烯的工艺也还不够成熟完善，并且成平面积都非常小，不适应工业化应用，但昂贵的价格和广阔的市场前景更是让各方对于石墨烯的研究一直没有停歇过。
2 绪论
2.1 石墨烯
石墨烯首先是从石墨上剥离下来的。从理论上对石墨烯特性的预言到实验上的成功制备，经历了近60年的时间。
2.1.1 石墨烯的结构
石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零文的富勒烯、一文的 CNTs、二文的石墨烯到三文的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯吹冰元环，这个二文的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。碳原子排列与石墨单原子层排列相同。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，其理论厚度仅为0.335 nm，相当于一根头发的20万分之一的厚度，一毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯，是目前所发现的最薄的二文材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零文的富勒烯，卷曲形成一文的CNTs或者堆垛成三文的石墨。
石墨烯中的每个碳原子都与相邻的3个碳原子相连，其C-C键长约为0.142nm，每个晶格内又3个σ键，因此成为史上最牢固的材料之一。石墨烯结构非常稳定，至今为止，在研究过程中还未尝发过有碳原子缺失的状况。石墨烯中各个碳原子之间的连接非常柔韧，当对其施加外部机械力的时候，碳原子面就会弯曲变形，从而使得碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种结构就使碳原子局以后优秀的导电性。石墨烯中电子在轨道中移动时，不会因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子收到的干扰也非常小。
石墨烯是一种超轻材料，以一个正吹冰边形碳环为结构单元，由于每个碳原子只有1/3属于正吹冰边形，所以这个正吹冰边形的碳原子个数为2。正吹冰边形的面积为0.052mm2，由此计算出石墨烯的面密度为0.77mg/m2。
2.1.2 石墨烯的物理性质
这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130Gpa，是钢的100多倍。其载流子迁移率达1.5×104cm2•V-1•S-1是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的10倍，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可高达 2.5×105cm2•V-1•s-1；石墨烯的热导率可达5×103W•m-1•K-1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有试问量子霍尔效应（Hall effect）及室温铁磁性等特殊性。与碳纳米管相比，石墨烯的主要性能指标均与之相当甚至更好，并且避免了碳纳米管研究和应用中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型分离以及催化剂杂质等难题，平面的石墨烯晶片更容易使用常规加工技术，为制作各种纳米器件带来了极大的灵活性；甚至可能在一片石墨烯上直接加工出各种半导体器件和互连线，从而获得具有重大应用价值的全碳集成电路。
2.2 石墨烯的制备方法
目前，在科学工作者的不断努力下，制备石墨烯的方法越来越多；但制备出低成本、大面积、高质量的石墨烯还有一定困难。
2.2.1机械剥离法
最普遍的是微机械分离法，也是一种比较常规的方法，即用胶带或其他手段定向分离高定向热解石墨（Highly Ordered Pyrolytic Graphite,HOPG）。通常先用别的材料和HOPG摩擦，使得其表面产生絮状晶体，得到较薄的HOPG层后用胶带反复粘撕即可。2004年Novoselov等利用这种方法成功制备并观测到准二文单层石墨烯的形貌。但此方法缺点是利用摩擦石墨表面获得的薄片筛选出单层的石墨烯薄片，得到的石墨烯片层很小，很难大规模应用到实际当中。