Herstellung und Anwendung von Graphen

Graphen (Graphen) als typischer Vertreter von Kohlenstoffnanomaterialien mit seiner hervorragenden Kristallstruktur und elektrischen Leistung hat breite Aufmerksamkeit und großes Interesse von Wissenschaftlern auf sich gezogen. In diesem Artikel werden einerseits die wichtigsten Herstellungsverfahren für Graphen vorgestellt und andererseits das Prinzip im Hinblick auf das Graphen auf dem Gebiet nanoskaliger elektronischer Geräte und viele andere weit verbreitete Methoden vorgestellt, um einen Überblick zu erhalten. Die kostengünstige Massenherstellung von Graphenmaterialien ist für die Erforschung und Anwendung von Graphen von großer Bedeutung.

Kohlenstoffnanomaterialien sind der Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet neuer Materialien, darunter Kohlenstoffnanoröhren (CNT Carbon Nanotube) und Graphen (Graphen) sowie Fullerene (Fulleren), ein typischer Vertreter von Kohlenstoffnanomaterialien. Weil sie starke und einzigartige optische, elektrische und mechanische Eigenschaften haben, haben sie eine breite Anwendungsperspektive. In den drei typischen Kohlenstoffnanomaterialien ist zweidimensionales Graphen ein eindimensionales Kohlenstoffnanoröhrchen, und die Nulldimension der Grundeinheit des Fullerens (Abbildung 1) weist eine äußerst gute Kristallstruktur und elektrische Leistung auf.

Graphen (Graphen) seit 2004 war Geim und andere Berichte, ein Professor an der Universität von Manchester, England, mit seiner besonderen Leistung hat große Aufmerksamkeit und Interesse von Wissenschaftlern auf sich gezogen. Einschichtiges Graphen existiert in zweidimensionaler Kristallstruktur, die Dicke beträgt nur 0,334 nm, es ist die Grundeinheit der anderen Dimensionen des Kohlenstoffmaterials, es kann umwickelt werden, um ein nulldimensionales hungriges Fulleren zu bilden, das sich eindimensional aufrollt Kohlenstoffnanoröhren, Graphit Schicht für Schicht, um eine dreidimensionale zu bilden. Graphen ist eine Art keine Energielücke des Halbleiters, hat mehr als das 100-fache der Siliziumträgermobilität (2 x 105 cm2 / V) bei Raumtemperatur mit einem freien Pfad in Mikrometerqualität und einer größeren Kohärenzlänge, so dass das Graphen ein ideales Material ist Nanometer-Schaltung. Graphen hat eine gute Wärmeleitfähigkeit von 3000 w / (m, K), eine hohe Festigkeit (110 GPA) und eine große spezifische Oberfläche (2630 m2 / g). Diese hervorragende Leistung macht Graphen in nanoskaligen elektronischen Geräten, Gassensoren, Energiespeichern und Verbundwerkstoffen Materialien und andere Bereiche haben eine gute Anwendungsperspektive.

1, das Verfahren zur Herstellung von Graphen

Gegenwärtig sind die Hauptherstellungsverfahren für Graphen das mechanische Verfahren, die thermische Zersetzung der Graphitoxidreduktion, das Wachstum des SiC-Verfahrens, das chemische Abscheidungsverfahren, das Verlängerungsverfahren usw.

1.1, mikromechanisches Abisolierverfahren

Im Jahr 2004 hat Geim erstmals die mikromechanische Strippmethode angewendet, beispielsweise einen hohen Erfolg bei der Dissektion und Beobachtung von direktionalem thermischem Pyrolyse-Graphit (hochorientierter pyrolytischer Graphit) zum einschichtigen Graphen. Die Geim-Team-Herstellung von Monoschicht-Graphen mit einer der größten Breiten kann bis zu 10 Mikrometer betragen. Die Hauptmethode besteht darin, einen Sauerstoffplasmastrahl in einer hochorientierten Oberfläche aus pyrolytischem Graphit (HOPG) zu verwenden, der 20 & mgr; m ~ 2 mm breite, tiefe Rillenfläche von 5 Mikrometern ausätzt und sie nach dem Rösten wiederholt mit Photoresist-SiO2 / Si-Substrat unterdrückt Durch das transparente Klebeband, das redundante Graphitflocken, restliche Graphitflocken auf in Aceton getränkten Si-Wafern und in viel Wasser und Propanol bei der Ultraschallreinigung entfernt, wird der größte Teil der dickeren Lamelle entfernt, nachdem die Dicke der Schicht von weniger als 10 nm, der dünnen Schicht, erreicht wurde stützt sich hauptsächlich auf die Van-der-Waals-Kraft oder die Kapillarkraft und SiO2, das in das Rasterkraftmikroskop integriert ist und schließlich nur wenige einzelne Atomschicht-dicke Graphenschichten auswählt. Dieses Verfahren kann die Breite der Mikrometergröße von Graphenfilmen erhalten, ist jedoch nicht leicht unabhängig zu werden Stücke von Graphen einzelne Atomschichtdicke, die Ausbeute ist gering, ist daher nicht für die Produktion und Anwendung in großem Maßstab geeignet.

Dann wird er Meyer Mikrocomputer Stripping-Verfahren, Si-Wafer mit Monoschicht-Graphen in einem nach dem Ätzen des Metallgestells platzierten, Si-Wafer mit Säurekorrosion, die erfolgreiche Herstellung von drohendem Monoschicht-Graphen auf Metallstents, seine Morphologie durch Tem-Beobachtung. Sie fanden heraus, dass Monolayer-Graphen keine flache Ebene ist, aber die Ebene hat eine bestimmte Höhe (5 ~ 10 nm), die Falte der Monolayer-Graphenoberfläche war signifikant mehr als doppelt so hoch wie das Graphen, und mit der Zunahme der Graphenschichten ist der Faltungsgrad größer und höher kleiner, dies kann auf einschichtiges Graphen zurückzuführen sein, um seine Oberflächenenergie von einer zweidimensionalen zu einer dreidimensionalen Morphologietransformation zu reduzieren, und kann daher spekuliert werden, dass eine Faltung auf der Oberfläche des Graphens eine notwendige Bedingung für die Existenz von zwei sein kann -dimensionales Graphen und Graphen auf der Oberfläche der Falte in Bezug auf ihre Leistung müssen weiter untersucht werden. Ein mikromechanisches Strippverfahren mit hochwertigem Graphen kann hergestellt werden, aber die Mängel einer niedrigen Produktionsrate und hoher Kosten entsprachen nicht den Anforderungen der Industrialisierung und Massenproduktion, derzeit nur als Laborpräparat im kleinen Maßstab.

1.2, chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren

Das chemische Aufdampfverfahren (Chemical Vapored Position) ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur industriellen Massenherstellung von Halbleiter-Dünnschichtmaterialien. CVD-Verfahren bezieht sich auf das Material in der Gasphase Reaktionsbedingungen werden durch biochemische Reaktion ausgegeben, erzeugen Feststoffablagerung auf der Oberfläche des festen Substrats die Erwärmung, die Feststoffprozess gemacht. Der Produktionsprozess ist sehr perfekt, Forscher sind zu einem Weg der Herstellung von Graphen geworden.

Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) stellt ein Verfahren zur wirksamen Kontrolle von Graphen bereit, das sich von der Herstellung von CNTs unterscheiden kann. Das durch das CVD-Verfahren hergestellte Graphen benötigt keinen körnigen Katalysator, es basiert auf der Ebene (wie ein Metallfilm, Metall-Einzel) Kristall usw.) bei einer bei hoher Temperatur zersetzbaren Vorläuferatmosphäre (wie Methan, Ethylen), durch Hochtemperaturglühkohlenstoffablagerung im Grundoberflächengraphen, schließlich durch chemisches Ätzverfahren, um die Metallbasis zu entfernen, nachdem die unabhängigen Graphenstücke erhalten wurden. Durch Auswahl des Basistyps, der Wachstumstemperatur, der Vorläuferströmungsparameter wie des Wachstums der Graphenregulation (wie Wachstumsrate, Dicke, Größe usw.) wurde dieses Verfahren erfolgreich als Fläche eines einschichtigen oder mehrschichtigen Graphenquadratzentimeters vorbereitet Sein größter Vorteil ist, dass mit größerer Fläche der Graphenfilme hergestellt werden kann.

1.3 und die Methode des epitaktischen Wachstums

Dieses Verfahren erfolgt im Allgemeinen durch Erhitzen der 6 h-SiC-Oberfläche eines Einkristalls, wobei das Abziehen von Si (0001) -atomgraphen hergestellt wird. Die ersten 6 h - SiC-Einkristalloberflächenoxidation oder H2-Ätzvorbehandlung unter Ultrahochvakuum (1,33 x - 8-10 pa) entfernen das auf 1000 ° C erhitzte Oberflächenoxid durch Schneckenelektronenspektroskopie (Augerelektronspektroskopie), die zu Oxid bestimmt wurde wurde vollständig entfernt, die Probe und dann Erhitzen auf 1250 ~ 1450 ° C und Temperatur 10 ~ 20 min, Graphen wurde hergestellt, indem die Scheibendicke hauptsächlich durch die Temperatur dieses Schritts bestimmt wird, dieser Ansatz zur Herstellung des 1 ~ 2 Kohlenstoffs Atomdicke Schicht aus Graphen, aber als Ergebnis der SiC-Kristalloberfläche ist die Struktur relativ komplex, schwer zu bekommen, die Dicke der großen Fläche, haben das Graphen. Berger verwendet jeweils die Methode wie die Herstellung des ein- und mehrschichtigen Graphens und untersucht dessen Leistung. Verglichen mit dem mechanischen Abstreifverfahren von Graphen zeigte das epitaktische Wachstumsverfahren zur Herstellung von Graphen eine höhere Trägermobilität und andere Merkmale, kann jedoch den Quanten-Hall-Effekt nicht nachweisen.

1.4, elektrochemische Methoden

Liu wurde durch das Verfahren der elektrochemischen Oxidation Graphitstab wie Graphen hergestellt. Sie werden sowohl hochreinen Graphitstab in der wässrigen Lösung, die die ionischen Flüssigkeiten parallel enthält, die Steuerspannung in 10 bis 20 V, 30 Minuten nach der Korrosion des Anodengraphitstabs, Kationenradikale, die bei der kathodischen Reduktion ionischer Flüssigkeiten gebildet werden, als auch Graphen in PI elektronische Vereinigung, bilden ionische Flüssigkeiten Funktionalisierung von Graphenfilmen, schließlich mit wasserfreiem Ethanol Waschen schwarzer Ablagerungen in Elektrolysezelle, trocken 2 h kann Graphen unter 60 ° C erhalten. Dieses Verfahren kann bei der Herstellung der ionischen Flüssigkeit Funktionalisierung von Graphen, aber die Herstellung schrittweise der Graphenschicht ist größer als die Dicke der einzelnen Atomschicht.

1,5, organische Synthese

Qian mit bestimmter Struktur, die durch organische Synthese wie Graphen-Nanobänder und Null-Defekt hergestellt wurde. Sie wählen vier Bromimide (Tetrabromperylenbisimide) als Monomer, die Verbindungen in Kupfer (I) -iodid und L-Prolin können unter Aktivierung vieler Moleküle auftreten, die Kopplungsreaktion zwischen den verschiedenen Skalen und) Imid implementiert das Graphen-Nano-haltige Imid Gruppe mit effizienter chemischer Synthese; Sie werden auch durch Hochleistungsflüssigkeitstrennung aus dem zwei- und dreifachen Imidisomer kombiniert mit der theoretischen Berechnung, um ihre Struktur weiter zu veranschaulichen.

2, die Anwendung von Graphen

Graphen hat ausgezeichnete Elektronentransport-, optische Kopplungs-, elektromagnetische, thermische und mechanische Eigenschaften, so dass in nanoskaligen elektronischen Geräten Hochleistungs-Flüssigkristallanzeigematerialien, Solarenergiebatterien, Feldemissionsmaterialien, Gassensoren und Energiespeichern und andere Felder ein breites Spektrum aufweisen Anwendungsbereich.

2.1, transparente Elektrode

Industrie wurde kommerzialisiert transparentes Membranmaterial ist Indiumzinnoxid (ITO), aufgrund des Gehalts an Indiumelement auf der Erde ist begrenzt, der Preis ist teuer, insbesondere die Toxizität ist sehr groß, machen seine Anwendung eingeschränkt. Als neuer Stern kohlenstoffhaltiger Materialien kann Graphen mit geringer Abmessung und das Eindringen unter der Bedingung geringer Dichte ein leitendes Netzwerk bilden. Dies wird als die Eigenschaften von Indiumzinnoxid alternativer Materialien angesehen. Die Herstellung von Graphen zu den Vorteilen eines einfachen Verfahrens ist kostengünstig Wegbereiter für die Kommerzialisierung. Mullen-Team durch Tauchbeschichtung abgeschieden durch thermisches Tempern Reduktion von Graphen, Dünnschichtwiderstand von 900 Ω, Lichtdurchlässigkeit betrug 70%, der Film wurde zu farbstoffsensibilisierten Solarzellen positiv verarbeitet, Energieumwandlungseffizienz der Solarzelle beträgt 0,26%. Im Jahr 2009 Das Team verwendet eine Acetylen-reduzierende Gas- und Kohlenstoffquelle unter Verwendung einer Hochtemperatur-Reduktionsmethode zur Herstellung der hohen Leitfähigkeit (1425 s / cm) von Graphen als leitfähigen Glasersatz für Graphenmaterialien.

2.2, Sensoren,

Die elektrochemische Biosensortechnologie ist eine Kombination aus Informationstechnologie und Biotechnologie, an der Themen wie Chemie, Biologie, Physik und Elektronik beteiligt sind. Bei der Herstellung von Graphen stellten die Forscher fest, dass Graphen eine zweidimensionale elektronische Übertragungsumgebung und einen schnellen heterogenen Elektronentransfer im Randbereich bietet, wodurch es zum idealen Material für elektrochemische Biosensoren wird. Chen, übernehmen die Methode des thermischen Temperns bei niedriger Temperatur wie Elektrodenmaterialien, Herstellung von Graphen als Sensor zum Nachweis von NO2 in niedriger Konzentration bei Raumtemperatur, der Autor glaubt, dass, wenn die Qualität von Graphen verbessert werden soll, die Empfindlichkeit von Sensoren für Gas verbessert wird Erkennung. Graphen im Sensor zeigte das Potenzial, sich von anderen Materialien zu unterscheiden, was es immer medizinischer macht. Das Graphen wird auch zum Nachweis von Dopamin auf Medikamenten, Glukose usw. verwendet.

2.3 Superkondensator

Superkondensator ist ein hocheffizientes Speicher- und Übertragungssystem für Energiesysteme. Es hat eine große Leistungsdichte, eine große Kapazität, eine lange Lebensdauer und wirtschaftliche Vorteile wie Umweltschutz. Es wird häufig an verschiedenen Orten der Stromversorgung eingesetzt. Graphen hat eine hohe spezifische Oberfläche und eine hohe Leitfähigkeit, im Gegensatz zu porösen Kohlenstoffelektrodenmaterialien, die von der Lochverteilung abhängen, was es zu den vielversprechendsten Elektrodenmaterialien macht. Chen et al. Herstellung von Elektrodenmaterialien für eine Leistungsdichte von Graphen-Superkondensatoren von 10 kW / kg, eine Energiedichte von 28,5 Wh / kg, eine maximale spezifische Kapazität von 205 f / g und nach einem Wiederaufladetest mit 1200 Zyklen bleiben immer noch 90% der spezifischen Kapazität erhalten haben eine längere Lebensdauer. Graphen im Superkondensatorpotential sollte den Forschern mehr Aufmerksamkeit schenken.

2.4 Verbundwerkstoffe

Graphen einzigartige physikalische, chemische und mechanische kann die treibende Kraft für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen bieten, wird voraussichtlich viele neue Anwendungsfelder eröffnen, wie eine neue Art von leitfähigen Polymermaterialien, multifunktionalen Polymerverbundwerkstoffen und hohe Festigkeit von porösen Keramikmaterialien. Fächer unter Verwendung von Graphen, wie hohe spezifische Oberfläche und hohe Elektronenmobilität, die Herstellung von durch Graphenmaterialien getragenen Polyanilin-Graphen-Kompositen, die Verbindung hat eine hohe spezifische Kapazität (1046 f / g) ist größer als die von reinem Polyanilin als die Kapazität 115 f /G. Die Zugabe von Graphen verbesserte die Vielseitigkeit von Verbundwerkstoffen und die Verarbeitungsleistung von Verbundwerkstoffen usw., da die Anwendung von Verbundwerkstoffen ein weites Feld bietet.

3, Schlussfolgerung

Graphen als neuartiges zweidimensionales Kohlenstoffmaterial hat ausgezeichnete Elektronentransport-, optische Kopplungs-, elektromagnetische, thermische und mechanische Eigenschaften, also in nanoskaligen elektronischen Geräten, Hochleistungs-Flüssigkristallanzeigematerialien, Solarzellen und Gassensoren Feldemissionsmaterialien und Energiespeicher sowie andere Bereiche finden breite Anwendung und werden so zu einem Forschungs-Hotspot im In- und Ausland. Die kostengünstige Massenherstellung von Graphenmaterialien ist für die Erforschung und Anwendung von Graphen von großer Bedeutung.

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