阳离子盐对电泳沉积制备石墨烯薄膜的影响研究(3)
1.1.2 石墨烯的特性
石墨烯是由碳原子按吹冰边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，使得石墨烯除了有金刚石的硬度外还有金刚石所没有的柔韧度如图1.1所示。
图1.1 石墨烯的二文晶体结构及其布里渊区
这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。因其每个碳原子均为sp2杂化，原子间的作用力非常强大，使得石墨烯中的电子因碳原子之间的挤撞而受到的干扰也很小。其中电子的运动速度达到了1000m/s，大概是光速的1/300，这远远超过了电子在其他导体中的运动速度。
常温下，电子迁移率可达2*105cm2/（V*S），是室温下导电性最佳的材料。[1]
石墨烯同时具有优异的光学性能，单层石墨烯可吸收2.3%的可见光，由于石墨烯的光学特性随其厚度的变化而改变，因此，我们可以根据石墨烯薄膜可见光的透射率来估算其具有的层数。
石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二文蜂窝状网格结构。各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π 轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于石墨烯具有优异的导电性，自2004 年被英国曼彻斯特大学研究组发现后，不断有新的成果被报道。其中包括发现石墨烯和PMMA 较大热膨胀系数差别是产生周期性褶皱原因，这些周期性褶皱会影响石墨烯的电学性质。科学家发现石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示器件的ITO 透明电极。纳米材料石墨烯，因其具有很多特殊性质，比如零能隙、反常的量子霍耳效应、朗道量子性等，吸引了国内外学者从凝聚态电子结构、输运性质到相对论的研究等众多方面的研究兴趣。石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。虽然石墨烯作为工程材料具有很大的应用前景，然而如何有效方便地制备出高质量二文石墨烯纳米薄膜是发展研究和应用的关键所在。因此，应寻找一种快速的、可控的高质量石墨烯纳米薄膜的制备工艺。
1.1.3 现有的制备方法
为了达到大规模制备石墨烯，人们通过实验找到了许多石墨烯的制备方法，例如机械剥离法，氧化还原法，化学气相沉积法，热分解SiC，外延生长法，有机合成法等。
石墨烯最初是由机械剥离法制备得到的石墨烯片，其方法主要是用氧等离子束在高取向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出宽20 μm-2mm、深5 μm 的槽面，并将其压制在附有光致抗蚀剂的SiO2/Si 基底上，焙烧后，用透明胶带反复剥离出多余的石墨片，剩余在Si 晶片上的石墨薄片浸泡于丙酮中，并在大量的水与丙醇中超声清洗，去除大多数的较厚片层后得到厚度小于10 nm 的片层，这些薄的片层主要依靠范德华力或毛细作用力与SiO2 紧密结合，最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚的石墨烯片层。[3]微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但由于其生产效率低，且不易得到独立的石墨烯片，目前只为实验方法，不适合大规模的应用。
为了能够大量的生产石墨烯，在2005年，Stankovich等人运用氧化还原法，将石墨氧化并且分散在水中，形成平均厚度只有几个纳米的石墨烯悬浊液。同年，他们首次使用氧化还原法制备石墨烯，并将还原得到的石墨烯用聚合物包覆均匀地分散在水中[4]。其原理是由于石墨本身是憎水性物质，通过氧化，可以降低石墨层片间的范德华力，从而增加其亲水性，更易分散在水中，然后使其在水中剥离形成氧化石墨烯胶体，最后，还原成我们所需的石墨烯。一般石墨的氧化方法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier三种方法。氧化还原法的缺点是制备的石墨烯是先经过氧化后还原形成的，这样的制备方法会导致生成的石墨烯容易出现杂质，部分电学性能会损失，但此制备方法简便，且成本较小，不仅可以制备出大量石墨烯悬浮液，而且有利于制备石墨烯的衍生物，拓展了石墨烯的应用领域[5]。
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