Einführung in die Herstellung von Graphen nach chemischer Methode

Graphen hat eine einzigartige Struktur und eine hervorragende Leistung. In den letzten Jahren hat es ein umfangreiches Forschungsinteresse an Chemie, Physik und Materialien geweckt und große Fortschritte bei der Herstellung von Graphen erzielt. In diesem Artikel wird hauptsächlich die Methode zur Herstellung von Graphen durch chemische Methoden erläutert.

Derzeit wird Graphen hauptsächlich durch chemische Methoden im Labor hergestellt. Das Verfahren wurde zuerst als Kern von Benzolringen oder anderen aromatischen Systemen verwendet. Sechs Cs an Benzolringen oder großen aromatischen Ringen wurden durch mehrstufige Kupplungsreaktionen ersetzt, und der Zyklus wurde wiederholt. Vergrößern Sie das aromatische System, um Graphen mit einer bestimmten Größe der planaren Struktur zu erhalten. Auf dieser Basis verbessern sich die Menschen weiter und machen die Graphitoxid-Reduktionsmethode zur vielversprechendsten und vielversprechendsten Methode für die Synthese von Graphen und seinen Materialien. Darüber hinaus können chemische Gasphasenabscheidungs- und Kristall-Epitaxie-Wachstumsverfahren verwendet werden, um hochreines Graphen in großem Maßstab herzustellen.

Herstellung von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung

Das Prinzip der chemischen Gasphasenabscheidung besteht darin, eine oder mehrere gasförmige Substanzen in eine Reaktionskammer einzuführen und chemisch zu reagieren, um ein neues Material zu bilden, das sich auf der Substratoberfläche ablagert. Es ist eine der am weitesten verbreiteten Technologien für die großtechnische Industrialisierung von Halbleiter-Dünnschichtmaterialien.

Srivastava et al. verwendeten mikrowellenverstärkte chemische Gasphasenabscheidung, um Blütenblätter mit einer Dicke von etwa 20 nm auf dem von Ni umgebenen Si-Substrat zu züchten, und untersuchten den Einfluss der Mikrowellenleistung auf die Morphologie von Graphitplatten. Es wurde eine Graphitplatte mit einer geringeren Dicke als das vorherige Herstellungsverfahren erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass je größer die Mikrowellenleistung ist, desto kleiner die Graphitplatte ist, aber desto höher die Dichte. Die nach diesem Verfahren hergestellte Graphitplatte enthält mehr Ni-Elemente.

Kim et al. fügte eine Si-Schicht mit einer Dicke von weniger als 300 nm zu dem Si-Substrat hinzu, erhitzte dann die Substanz in einem Gemisch aus Methan, Wasserstoff und Argon auf 1000ºC und reduzierte sie schnell auf Raumtemperatur. Dieser Prozess kann 6 bis 10 Schichten Graphen im oberen Teil der Ni-Schicht ablagern. Das nach diesem Verfahren hergestellte Graphen weist eine hohe Leitfähigkeit, gute Transparenz und hohe Elektronenmobilität (~ 370 cm² / (V · s)) auf und hat einen halbzahligen Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur. Grafische Graphenfilme können hergestellt werden, indem Ni-Schicht-Grafiken erstellt werden. Diese Filme können bei gleichzeitiger Qualitätssicherung auf verschiedene flexible Substrate übertragen werden. Diese Übertragung kann durch zwei Verfahren erreicht werden: Erstens wird das Ni mit einem Lösungsmittel korrodiert, um den Graphenfilm auf der Oberfläche der Lösung zu schweben, und dann wird das Graphen auf ein beliebiges erforderliches Substrat übertragen; Ein weiterer Grund ist die Verwendung der Stempeltechnologie zur Übertragung dünner Filme.

Das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren kann die Anforderungen der großtechnischen Herstellung von hochwertigem, großflächigem Graphen erfüllen. In diesem Stadium ist jedoch aufgrund seiner hohen Kosten, seines komplexen Verfahrens und seiner präzisen Kontrollbedingungen die Entwicklung der Graphenherstellung dieses Verfahrens eingeschränkt . Weitere Untersuchung.

Herstellung von Graphen durch epitaktische Wachstumsmethode

ClarieBerger et al. verwendeten diese Methode, um einschichtige und mehrschichtige Graphenflocken herzustellen, und untersuchten ihre Eigenschaften. Durch Erhitzen wird Graphen erhalten, indem Si von der Si-gebildeten (00001) Oberfläche eines 6H-SiC-Einkristalls entfernt wird. Die Probe befindet sich nach Oxidation oder H2-Ätzen der Oberfläche im Hochvakuum (UHV; Basisdruck 1,32 × 10-8 Pa), das durch Elektronenbeschuss auf 1000 ° C erhitzt wurde, um Oberflächenoxide zu entfernen (wiederholt Oxide zu entfernen, um die Oberflächenmasse zu verbessern), und danach Oxid wird durch Auger-Elektronenspektroskopie vollständig entfernt, es wird auf 1250-1450 ° C erhitzt, Temperatur 1-20 min. Graphitflocken auf der Si-Oberfläche wachsen langsam und hören bald nach Erreichen hoher Temperaturen auf zu wachsen, während Graphitplatten auf der C-Oberfläche nicht begrenzt sind und ihre Dicke 5 bis 100 Schichten erreichen kann. Die Dicke der gebildeten Graphenschicht wird durch die Erwärmungstemperatur bestimmt. Mit diesem Verfahren können zwei Arten von Graphen erhalten werden: Eine ist Graphen, das auf der Si-Schicht wächst. Aufgrund des Kontakts mit der Si-Schicht werden die Leitfähigkeitseigenschaften dieses Graphens stark beeinflusst; Das andere ist Graphen, das auf der C-Schicht wächst und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweist. Beide werden stark vom SiC-Substrat beeinflusst. Dieses Verfahren hat raue Bedingungen (hohe Temperatur, Hochvakuum) und das resultierende Graphen ist nicht leicht vom Substrat zu trennen und kann nicht zur Massenherstellung von Graphen verwendet werden.

Graphen hergestellt durch Graphitoxidreduktion

Graphen wird durch ein Graphitoxid-Reduktionsverfahren hergestellt, indem Graphitplatten in stark oxidierenden gemischten Säuren wie konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure dispergiert werden und dann Kaliumpermanganat oder Kaliumchlorat stark und andere Oxidationsmittel zur Oxidation hinzugefügt werden, um Graphitoxid (GO) -Hydrosol zu erhalten. Nach der Ultraschallbehandlung, um Graphenoxid zu erhalten, wird schließlich Graphen durch Reduktion erhalten. Dies ist die am häufigsten verwendete Methode zur Herstellung von Graphen.

Graphit selbst ist eine hydrophobe Substanz. Der Oxidationsprozess hat jedoch zur Bildung einer großen Anzahl von Strukturdefekten geführt. Diese Defekte können auch nach dem Tempern bei 1100 ° C nicht vollständig beseitigt werden. Daher gibt es eine große Anzahl von Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und Epoxygruppen auf der Oberfläche und den Rändern von GO. Es ist eine hydrophile Substanz. Aufgrund des Vorhandenseins dieser funktionellen Gruppen reagiert GO leicht mit anderen Reagenzien, um modifiziertes Graphenoxid zu erhalten. Gleichzeitig ist der GO-Schichtabstand (0,7 ~ 1,2 nm) auch größer als der ursprüngliche Graphitschichtabstand (0,335 nm), was der Interkalation anderer Materialmoleküle förderlich ist. Es gibt im Allgemeinen drei Methoden zur Vorbereitung von GO: Standenmaier, Brodie und Hummers. Das Grundprinzip der Herstellung besteht darin, Graphit zuerst mit starker Protonensäure zu behandeln, um eine Graphit-Zwischenschichtverbindung zu bilden, und dann ein starkes Oxidationsmittel hinzuzufügen, um es zu oxidieren. GO-Reduktionsverfahren umfassen chemische Flüssigphasenreduktion, thermische Reduktion, Plasmamethodenreduktion, Wasserstoffbogenentladungsentfernung, Super-Boundary-Wasserreduktion, Lichtreduktion, Lösungsmittel-Thermoreduktion und Mikrowellenreduktion.

Zum ersten Mal haben Stankovich et al. oxidierter und dispergierter Graphit in Wasser und reduzierte ihn dann mit Hydrazinhydrat. Während des Reduktionsprozesses wurde Natriumpolystyrolsulfonat (PSS) mit hohem Molekulargewicht verwendet, um die Oberfläche der Graphitoxidschicht zu adsorbieren und zu beschichten, um eine Agglomeration zu vermeiden. Aufgrund der starken nichtkovalenten Bindung zwischen PSS und Graphen (π? Π-Stapelkraft) wird die Aggregation von Graphenschichten verhindert und der Verbundstoff ist in Wasser gut löslich (1 mg / ml). So wurde ein PSS-beschichteter modifizierter oxidierter Graphitmonolith hergestellt. Auf dieser Basis haben Stankovich et al. stellten ein modifiziertes einlagiges Graphen / Polystyrol-Verbundmaterial mit einem niedrigen Diafiltrationswert (etwa 0,1 Vol .-% Anteil) und einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit (0,1 S / m) her.

Diese Methode ist umweltfreundlich, effizient, kostengünstig und kann in großem Maßstab industrialisiert werden. Sein Nachteil ist, dass starke Oxidationsmittel die elektronische Struktur von Graphen und die Integrität von Kristallen ernsthaft schädigen und die elektronischen Eigenschaften beeinträchtigen, wodurch ihre Anwendung auf dem genauen Gebiet der Mikroelektronik in gewissem Maße eingeschränkt wird.

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