石墨烯熱潮仍在 工業化制法尚需摸索
2014-10-11 18:04:17 本站原創石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊，必須用量子場論才能描繪。石墨烯廣泛的應用前景和優良的性能，極大的促進了石墨烯制備技術的快速發展。自從2004年Geim等科學家首次通過運用微機械剝離法制備出石墨烯以來，科研人員又開發出眾多制備石墨烯的方法。其中比較主流的方法有氧化石墨還原法、化學氣相沉淀CVD法和外延生長法等等。
現有制法還不能滿足石墨烯產業化的要求。包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法在內的眾多制備方法目前仍不能滿足產業化的要求。特別是產業化要求石墨烯制備技術能穩定、低成本地生產大面積、純度高的石墨烯，這一制備技術上的問題至今尚未解決。
微機械剝離法
石墨烯首先由微機械剝離法制得。微機械剝離法即是用透明膠帶將高定向熱解石墨片按壓到其他表面上進行多次剝離，最終得到單層或數層的石墨烯。2004年，Geim，Novoselov等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯，證明了二維晶體結構在常溫下是可以存在的。
微機械剝離方法操作簡單、制作樣本質量高，是當前制取單層高品質石墨烯的主要方法。但其可控性較差，制得的石墨烯尺寸較小且存在很大的不確定性，同時效率低，成本高，不適合大規模生產。
外延生長法
外延生長方法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是指在高溫下加熱SiC單晶體，使得SiC表面的Si原子被蒸發而脫離表面，剩下的C原子通過自組形式重構，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。
金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳氫化合物通入到具有催化活性的過渡金屬基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。氣體在吸附過程中可以長滿整個金屬基底，并且其生長過程為一個自限過程，即基底吸附氣體后不會重復吸收，因此，所制備出的石墨烯多為單層，且可以大面積地制備出均勻的石墨烯。
化學氣相沉淀CVD法：最具潛力的大規模生產方法
CVD法被認為最有希望制備出高質量、大面積的石墨烯，是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法。化學氣相沉淀CVD法具體過程是：將碳氫化合物甲烷、乙醇等通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表面，反應持續一定時間后進行冷卻，冷卻過程中在基底表面便會形成數層或單層石墨烯，此過程中包含碳原子在基底上溶解及擴散生長兩部分。該方法與金屬催化外延生長法類似，其優點是可以在更低的溫度下進行，從而可以降低制備過程中能量的消耗量，并且石墨烯與基底可以通過化學腐蝕金屬方法容易地分離，有利于后續對石墨烯進行加工處理。
三星用這種方法獲得了對角長度為30英寸的單層石墨烯，顯示出這種方法作為產業化生產方法的巨大潛力。但該過程所制備出的石墨烯的厚度難以控制，在沉淀過程中只有小部分可用的碳轉變成石墨烯，且石墨烯的轉移過程復雜。
氧化石墨還原法
氧化石墨還原法也被認為是目前制備石墨烯的最佳方法之一。該方法操作簡單、制備成本低，可以大規模地制備出石墨烯，已成為石墨烯制備的有效途徑。另外該方法還有一個優點，就是可以先生產出同樣具有廣泛應用前景的功能化石墨烯--氧化石墨烯。
其具體操作過程是先用強氧化劑濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等將石墨氧化成氧化石墨，氧化過程即在石墨層間穿插一些含氧官能團，從而加大了石墨層間距，然后經超聲處理一段時間之后，就可形成單層或數層氧化石墨烯，再用強還原劑水合肼、硼氫化鈉等將氧化石墨烯還原成石墨烯。
其他制備石墨烯的方法還有碳納米管切割法、石墨插層法、離子注入法、高溫高壓HPHT生長法、爆炸法以及有機合成法等。
制備大面積、高質量的石墨烯仍然是一個較大的挑戰。雖然化學氣相沉淀法和氧化還原法可以大量的制備出石墨烯，但是化學氣相沉淀法在制備后期，對于石墨烯的轉移過程比較復雜，而且制備成本較高，另外基底內部C生長與連接往往存在缺陷。利用氧化還原法在制備時，由于單層石墨烯非常薄，容易團聚，導致降低石墨烯的導電性能及比表面積，進一步影響其在光電設備中的應用，另外，氧化還原過程中容易引起石墨烯的晶體結構缺陷，如碳環上碳原子的丟失等。
制法制約石墨烯產業化。石墨烯的各種頂尖性能只有在石墨烯質量很高時才能體現，隨著層數的增加和內部缺陷的累積，石墨烯諸多優越性能都將降低。要真正的實現石墨烯應用的產業化，體現出石墨烯替代其他材料的優越品質，必須在制備方法上尋求突破。只有適合工業化的石墨烯制法出現了，石墨烯產業化才能真正到來。
