Введение в получение графена химическим методом

Графен имеет уникальную структуру и отличные характеристики. В последние годы он вызвал широкий интерес исследователей в области химии, физики и материалов, а также добился большого прогресса в получении графена. В этой статье в основном объясняется метод получения графена химическим методом.

В настоящее время графен в основном получают химическими методами в лаборатории. Метод был впервые использован в качестве ядра бензольных колец или других ароматических систем. Шесть Cs на бензольных кольцах или больших ароматических кольцах были заменены реакциями многостадийного сочетания, и цикл был повторен. Увеличьте ароматическую систему, чтобы получить графен с определенным размером планарной структуры. Исходя из этого, люди продолжают совершенствоваться, делая метод восстановления оксида графита наиболее многообещающим и многообещающим методом синтеза графена и его материалов. Кроме того, методы химического осаждения из паровой фазы и эпитаксиального роста кристаллов также могут быть использованы для получения графена высокой чистоты в больших масштабах.

Получение графена химическим осаждением из паровой фазы

Принцип химического осаждения из паровой фазы заключается во введении одного или нескольких газообразных веществ в реакционную камеру и химической реакции с образованием нового материала, осажденного на поверхности подложки. Это одна из наиболее широко используемых технологий для крупномасштабной индустриализации полупроводниковых тонкопленочных материалов.

Srivastava et al. использовали химическое осаждение из газовой фазы, усиленное микроволновым излучением, для выращивания лепестков толщиной около 20 нм на подложке Si, окруженной Ni, и изучили влияние микроволновой мощности на морфологию графитовых листов. Был получен лист графита меньшей толщины, чем при предыдущем способе подготовки. Результаты показали, что чем больше мощность микроволн, тем меньше графитовый лист, но тем выше его плотность. Графитовый лист, полученный этим методом, содержит больше элементов Ni.

Kim et al. добавляли слой Ni толщиной менее 300 нм на подложку Si, затем нагревали вещество в смеси метана, водорода и аргона до 1000 ° C и быстро восстанавливали его до комнатной температуры. В результате этого процесса можно нанести от 6 до 10 слоев графена в верхнюю часть слоя Ni. Графен, полученный этим методом, имеет высокую проводимость, хорошую прозрачность и высокую подвижность электронов (~ 370 см2 / (В · с)) и обладает полуцелым квантовым эффектом Холла при комнатной температуре. Графические графеновые пленки могут быть получены путем создания графики с никелевым слоем. Эти пленки можно переносить на различные гибкие подложки, обеспечивая при этом качество. Этого переноса можно достичь двумя способами: во-первых, Ni подвергается коррозии растворителем, чтобы пленка графена плавала на поверхности раствора, а затем графен переносится на любую необходимую подложку; Другой - использование технологии штамповки для переноса тонких пленок.

Метод химического осаждения из газовой фазы может удовлетворить требования крупномасштабного приготовления высококачественного графена большой площади, но на данном этапе из-за его высокой стоимости, сложного процесса и точных условий контроля развитие получения графена этим методом ограничено. . Дальнейшие исследования.

Получение графена методом эпитаксиального роста

ClarieBerger et al. использовали этот метод для приготовления однослойных и многослойных чешуек графена и изучили их свойства. При нагревании графен получается путем удаления Si с Si-сформированной поверхности (00001) монокристалла 6H-SiC. Образец после окисления или травления поверхности H2 находится в высоком вакууме (UHV; базовое давление 1,32 × 10-8 Па), нагрета до 1000 ° C с помощью бомбардировки электронами для удаления поверхностных оксидов (многократное удаление оксидов для улучшения массы поверхности), а после Оксид полностью удаляют методом электронной оже-спектроскопии, нагревают до 1250-1450 ° С, температуру 1-20 мин. Чешуйки графита на поверхности Si растут медленно и перестают расти вскоре после достижения высоких температур, в то время как листы графита на поверхности C не ограничены, и их толщина может достигать от 5 до 100 слоев. Толщина формируемого листа графена определяется температурой нагрева. Этим методом можно получить два типа графена: один - это графен, который растет на слое Si. Контакт со слоем Si сильно влияет на проводящие свойства этого графена; Другой - графен, который растет на слое C и имеет отличную электропроводность. И то, и другое сильно зависит от подложки SiC. Этот метод имеет суровые условия (высокая температура, высокий вакуум), и полученный графен нелегко отделяется от подложки и не может использоваться для массового производства графена.

Графен, полученный восстановлением оксида графита

Графен получают методом восстановления оксида графита путем диспергирования листов графита в сильных окисляющих смешанных кислотах, таких как концентрированная азотная кислота и концентрированная серная кислота, с последующим добавлением перманганата калия или сильного хлората калия и других окислителей для получения гидрозоля оксида графита (GO). После ультразвуковой обработки для получения оксида графена, наконец, графен получают восстановлением. Это наиболее часто используемый метод получения графена.

Сам графит - это гидрофобное вещество. Однако процесс окисления привел к образованию большого количества структурных дефектов. Эти дефекты невозможно полностью устранить даже после отжига при 1100 ° C. Следовательно, на поверхности и краях ГО имеется большое количество гидроксильных групп, карбоксильных групп и эпоксидных групп. Это гидрофильное вещество. Благодаря наличию этих функциональных групп GO легко реагирует с другими реагентами с получением модифицированного оксида графена. В то же время расстояние между слоями GO (0,7 ~ 1,2 нм) также больше, чем исходное расстояние между слоями графита (0,335 нм), что способствует интеркалированию других молекул материала. Обычно существует три метода подготовки GO: Standenmaier, Brodie и Hummers. Основной принцип приготовления - сначала обработать графит сильной протонной кислотой для образования межслоевого соединения графита, а затем добавить сильный окислитель для его окисления. Способы восстановления GO включают химическое восстановление в жидкой фазе, термическое восстановление, восстановление плазменным методом, удаление водородным дуговым разрядом, сверхграничное восстановление воды, легкое восстановление, термическое восстановление растворителем и микроволновое восстановление.

Впервые Станкович и др. окислил и диспергировал окалинный графит в воде, а затем восстановил его гидразингидратом. В процессе восстановления использовали высокомолекулярный полистиролсульфонат натрия (PSS) для адсорбции и покрытия поверхности слоя оксида графита во избежание агломерации. Благодаря сильной нековалентной связи между ПСС и графеном (сила упаковки π? Π) предотвращается агрегация графеновых листов, и композит имеет хорошую растворимость в воде (1 мг / мл). Таким образом был получен модифицированный оксидный графитовый монолит с покрытием из ПСС. Исходя из этого, Станкович и др. подготовили модифицированный однослойный композитный материал графен / полистирол, имеющий низкий показатель диафильтрации (около 0,1% по объему) и отличную электропроводность (0,1 См / м).

Этот метод является экологически чистым, эффективным, недорогим и может применяться в промышленных масштабах. Его недостатком является то, что сильные окислители серьезно повредят электронную структуру графена и целостность кристаллов, что повлияет на электронные свойства, что в определенной степени ограничит его применение в точной области микроэлектроники.

Страница содержит содержимое машинного перевода.