Приготовление и нанесение графена

Графен (Graphene) как типичный представитель углеродных наноматериалов, с его превосходной кристаллической структурой и электрическими характеристиками, привлек широкое внимание и большой интерес ученых. В этой статье, с одной стороны, представлены основные методы получения графена и вводится принцип, с другой стороны, с учетом графена в области наноразмерных электронных устройств, и многие другие, широко используемые для обзора. Недорогое массовое приготовление графеновых материалов имеет большое значение для исследования и применения графена.

Углеродные наноматериалы - это горячая точка исследования популярных в области новых материалов, включая углеродные нанотрубки (CNT Carbon Nanotube) и графен (Graphene), а также фуллерены (Fullerene), которые являются типичным представителем углеродных наноматериалов. Поскольку они обладают сильными и уникальными оптическими, электрическими и механическими свойствами, они имеют широкую перспективу применения. В трех типичных углеродных наноматериалах двумерный графен представляет собой одномерные углеродные нанотрубки и нулевую размерность основной единицы фуллерена (рисунок 1), имеет чрезвычайно хорошую кристаллическую структуру и электрические характеристики.

Графен (Graphene) с 2004 года составлял доклады Гейма и других, профессора Манчестерского университета, Англия, своими особенными характеристиками привлекал широкое внимание и интерес ученых. Однослойный графен существует в двумерной кристаллической структуре, толщиной всего 0,334 нм, это основная единица других размеров углеродного материала, его можно обернуть, чтобы сформировать нульмерные голодные фуллерены, свернуть в одномерном углеродные нанотрубки, слой графита за слоем, чтобы сформировать трехмерный. Графен - это своего рода полупроводник без запрещенной зоны, его подвижность более чем в 100 раз превышает подвижность кремниевых носителей (2 x 105 см2 / В), при комнатной температуре со свободным пробегом микронного класса и большей длиной когерентности, поэтому графен является идеальным материалом для нанометровая схема. Графен имеет хорошую теплопроводность 3000 Вт / (м, К), высокую прочность (110 ГПа) и большую удельную поверхность (2630 м2 / г). Эти превосходные характеристики делают графен наноразмерными электронными устройствами, датчиками газа, накопителями энергии и композитами. материалы и другие области имеют прекрасную перспективу применения.

1, способ приготовления графена

В настоящее время основными методами получения графена являются механический метод, термическое разложение восстановления оксида графита, метод выращивания SiC, метод химического осаждения, метод удлинения и т. Д.

1.1, метод микромеханической зачистки

В 2004 году компания Geim впервые применила метод микромеханической очистки, например, от направленного термопиролизного разделения графита (высокоориентированного пиролитического графита) и наблюдения до однослойного графена. Команда Гейма приготовила однослойный графен одной из самых больших шириной, который может достигать 10 микрон. Основным методом является использование пучка кислородной плазмы в поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), вытравливание поверхности шириной 20 мкм ~ 2 мм, поверхность глубокой канавки 5 мкм, и подавление их с помощью фоторезиста SiO2 / Si подложки, после обжига, многократно с прозрачная лента, удаляющая лишние графитовые чешуйки, остаточные графитовые чешуйки на кремниевой пластине, пропитанной ацетоном, а также в большом количестве воды и пропанола при ультразвуковой очистке, удалите большую часть более толстых пластин после получения слоя толщиной менее 10 нм, тонкий слой ломтика основывается в основном на силе Ван-дер-Ваальса или капиллярной силе и SiO2, интегрированном в атомно-силовой микроскоп, наконец, выбранном только несколько слоев графена толщиной в один атомный слой, этот метод может получить ширину микронных размеров графеновых пленок, но не легко получить независимую кусочки графена с одним атомным слоем, выход низкий, поэтому не подходит для крупномасштабного производства и применения.

Затем он расскажет о методе снятия изоляции на микрокомпьютере Мейера, Si-пластине, содержащей монослойный графен, помещенной в металлическую стойку после травления, Si-пластине с кислотной коррозией, успешном приготовлении надвигающегося монослоя графена, поддерживаемого металлическими стентами, его морфологии путем наблюдения за ними. Они обнаружили, что однослойный графен не является плоской плоскостью, но плоскость имеет определенную высоту (5 ~ 10 нм) складок, складка монослойной поверхности графена была значительно больше, чем в два раза больше, чем у графена, а с увеличением слоев графена степень складки увеличивалась и увеличивалась. более мелкие, это может быть связано с тем, что однослойный графен снижает его поверхностную энергию, от двумерного к трехмерному преобразованию морфологии, поэтому можно предположить, что складка на поверхности графена может быть необходимым условием для существования двух -мерные графен и графен на поверхности складки на его характеристики требует дальнейшего изучения. Метод микромеханической зачистки с использованием графена высокого качества может быть получен, но недостатки, связанные с низкой производительностью и высокой стоимостью, не соответствовали требованиям индустриализации и массового производства, в настоящее время только в качестве небольшой лабораторной подготовки.

1.2, метод химического осаждения из паровой фазы

Метод химического осаждения из паровой фазы (Chemical vapored position) - наиболее широко используемый метод массового промышленного получения полупроводниковых тонкопленочных материалов. Метод CVD относится к материалу в газофазных условиях реакции, вырабатываемых биохимической реакцией, генерирующим осаждение твердых частиц на поверхности твердой подложки, которое нагревается, что вызывает процесс твердого материала. Процесс его производства очень совершенен, исследователями стал способ получения графена.

Метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) обеспечивает метод эффективного контроля графена, который может отличаться от получения УНТ, графен, полученный методом CVD, не требует гранулированного катализатора, он является основой на плоскости (например, металлическая пленка, металлическая одиночная кристалл и т. д.) в атмосфере высокотемпературного разлагаемого предшественника (такого как метан, этилен), осаждения углерода при высокотемпературном отжиге в базальную поверхность графена, наконец, методом химического травления для удаления металлической основы после получения независимых частей графена. Выбрав базовый тип, температуру роста, параметры потока прекурсора, такие как регулирование роста графена (например, скорость роста, толщина, размер и т. Д.), Этим методом была успешно подготовлена область однослойного или многослойного графена квадратного сантиметра. Уровень, его самым большим преимуществом является то, что можно приготовить большую площадь графеновых пленок.

1.3, и метод эпитаксиального роста

Этот метод обычно заключается в нагревании поверхности монокристалла SiC в течение 6 часов, при этом получают атомарный графен Si (0001). Первые 6 часов - окисление поверхности монокристалла SiC или предварительная обработка травлением H2 в сверхвысоком вакууме (1,33 x - 8-10 Па), удаление поверхностного оксида, нагретого до 1000 ℃, с помощью оже-электронной спектроскопии (Augerelectronicspectroscopy), определенное как оксид был полностью удален, образец, а затем нагревается до 1250 ~ 1450 ℃ и температуры 10 ~ 20 мин, графен был подготовлен толщиной среза в основном определяется температурой этого этапа, этот подход к приготовлению 1-2 углеродных атом толщиной слоя графена, но в результате структура поверхности кристалла SiC является относительно сложной, трудно получить толщину большой площади, у графена. Бергер соответственно использовал такой метод, как приготовление монослоя и многослойного графена, и изучил его характеристики. По сравнению с методом механической зачистки графена, метод эпитаксиального выращивания для получения графена показал более высокую подвижность носителей и другие особенности, но он не может обнаружить квантовый эффект Холла.

1.4, электрохимические методы

Лю был приготовлен методом электрохимического окисления графитового стержня, например графена. Они будут иметь оба графитовых стержня высокой чистоты в водном растворе, содержащем ионные жидкости параллельно, управляющее напряжение от 10 до 20 В, через 30 минут после коррозии анодного графитового стержня, катион-радикалы, образующиеся при катодном восстановлении ионных жидкостей, и графен в Электронный союз PI, формирует функционализацию графеновых пленок ионных жидкостей, наконец, с безводным этанолом, промывающим черные отложения в электролитической ячейке, сушка в течение 2 часов может получить графен при 60 ℃. Этот метод может быть этапом в приготовлении функционализации графена ионной жидкостью, но подготовка толщины графенового слоя больше толщины одиночного атомного слоя.

1.5, органический синтез

Цянь с определенной структурой, полученной путем органического синтеза, такой как графеновые наноленты и нулевой дефект. Они выбирают четыре бром) имида (тетрабром-периленбисимида) в качестве мономера, соединения в йодиде меди и L-пролине могут возникать при активации многих молекул, реакции сочетания между различными масштабами и имидом, реализует наносодержащий имид графена. группа с эффективным химическим синтезом; Они также осуществляются путем высокоэффективного разделения жидкости на два и три изомера имида в сочетании с теоретическим расчетом для дальнейшей иллюстрации их структуры.

2, применение графена

Графен обладает превосходными переносчиками электронов, оптической связью, электромагнитными, тепловыми и механическими свойствами, поэтому в наноразмерных электронных устройствах высокоэффективные жидкокристаллические дисплеи, аккумулятор солнечной энергии, материалы с полевой эмиссией, газовые датчики и накопители энергии, а также в других областях имеют широкие возможности. спектр приложений.

2.1, прозрачный электрод

Промышленность была коммерциализирована прозрачным мембранным материалом - оксидом индия и олова (ITO), из-за того, что содержание элемента индия на земле ограничено, цена высока, особенно токсичность очень велика, поэтому его применение ограничено. Как новая звезда углеродистых материалов, графен с низким размером и проникновением в условиях низкой плотности может образовывать проводящую сеть, считается характеристиками оксида индия и олова альтернативных материалов, получение графена преимущества простого процесса, низкая стоимость открывая путь для его коммерциализации. Команда Маллена нанесла покрытие погружением, нанесенное термическим отжигом восстановления графена, тонкопленочный резистор 900 Ом, светопропускание 70%, пленка была превращена в сенсибилизированные красителем солнечные элементы, эффективность преобразования энергии солнечного элемента составляет 0,26%. В 2009 году , команда, использующая ацетилен-восстановительный газ и источник углерода, используя высокотемпературный метод восстановления графена с высокой проводимостью (1425 с / см), в качестве проводящего стекла для замены графеновых материалов.

2.2, датчики,

Электрохимическая биосенсорная технология - это комбинация информационных технологий и биотехнологии, включающая такие перекрестные предметы, как химия, биология, физика и электроника. Создавая графен, исследователи обнаружили, что графен обеспечивает двумерную среду передачи электронов и быстрый гетерогенный перенос электронов в краевой части, что делает его идеальным материалом для электрохимических биосенсоров. Чен, применяя метод низкотемпературного термического отжига, такого как электродные материалы, подготовка графена в качестве датчика для обнаружения низкой концентрации NO2 при комнатной температуре, автор считает, что, если улучшить качество графена, улучшится чувствительность датчиков для газа. обнаружение. Графен в сенсоре показал потенциал отличных от других материалов, что делает его все более и более привлекательным со стороны врачей, графен также используется для обнаружения дофамина в лекарствах, глюкозе и т. Д.

2.3, суперконденсатор

Суперконденсатор - это высокоэффективная система хранения и передачи энергии, он имеет большую удельную мощность, большую емкость, длительный срок службы, экономические преимущества, такие как защита окружающей среды, широко используется в различных местах электроснабжения. Графен имеет высокую удельную поверхность и высокую проводимость, в отличие от пористых углеродных электродных материалов, которые зависят от распределения отверстий, что делает его наиболее перспективным электродным материалом. Chen et al. Подготовка электродных материалов для графенового суперконденсатора. Плотность мощности 10 кВт / кг, плотность энергии 28,5 Втч / кг, максимальная удельная емкость 205 ф / г, и после испытания на перезарядку 1200 циклов все еще сохраняются 90% удельной емкости. , имеют более длительный жизненный цикл. Графен в потенциале суперконденсатора должен привлечь больше внимания исследователей.

2.4, композитные материалы

Уникальные физические, химические и механические свойства графена могут стать движущей силой для разработки композитных материалов, и ожидается, что он откроет множество новых областей применения, таких как новый тип проводящих полимерных материалов, многофункциональные полимерные композитные материалы и высокая прочность пористых материалов. керамические материалы. Вентилятор с использованием графена, таких как высокая удельная поверхность и высокая подвижность электронов, подготовка поддерживаемых графеном материалов из полианилин-графеновых композитов, соединение имеет высокую удельную емкость (1046 ф / г), большую, чем у чистого полианилина, чем емкость 115 ф /грамм. Добавление графена улучшило универсальность композитных материалов и производительность обработки композитных материалов и так далее, для применения композитных материалов предоставляет широкую область.

3, заключение

Как известно, графен как новый тип двумерного углеродного материала, обладает отличным переносом электронов, оптической связью, электромагнитными, тепловыми и механическими свойствами, поэтому в наноразмерных электронных устройствах, в высокоэффективных жидкокристаллических материалах для дисплеев, солнечных элементах, газовых датчиках , автоэмиссионные материалы и накопление энергии, а также в других областях имеют широкое применение и, таким образом, становятся горячей точкой исследований в стране и за рубежом. Недорогое массовое приготовление графеновых материалов имеет большое значение для исследования и применения графена.

Страница содержит содержимое машинного перевода.