石墨烯的幾種主流制作方法

??????? 注：前面已有多篇文章介紹過石墨烯及其應(yīng)用領(lǐng)域，工作原理等，這里不再復(fù)述，本篇主要講石墨烯的制作方法。

　　針對原料和用途的不同，相應(yīng)的有幾種不同方法。通常來講有氣相沉積法，氧化還原法，插層法。

　　氣象沉積法主要是含碳氣體（甲烷、依?。?，在一定的溫度和壓力條件下，碳原子在生長基上附著，形成單層碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)并逐漸生長。

　　優(yōu)點：所得石墨烯結(jié)構(gòu)好，尺寸不受原料的限制。缺點：制備過程復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。

　　氧化還原法是利用氧化劑將石墨逐層氧化，利用超聲等方式將已氧化的層剝離。之后，利用還原劑將氧化石墨層還原，即得到石墨烯。

　　優(yōu)點：成本低廉，生產(chǎn)效率較高。

　　缺點：制得石墨烯的尺寸由原料決定，所用氧化劑和還原劑有污染環(huán)境的可能。

　　插層法是將插層物質(zhì)填充到石墨的層間隙中，比以此克服層間范德華力，使得各層分散開，從而得到石墨烯。該方法仍處于研發(fā)階段。

　　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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhì)量高，是當前制取單層高品質(zhì)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(guī)模生產(chǎn)。

　　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(fā)而脫離表面，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，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(fù)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(xué)氣相沉淀CVD法：最具潛力的大規(guī)模生產(chǎn)方法

　　CVD法被認為最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法?；瘜W(xué)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(yīng)持續(xù)一定時間后進行冷卻，冷卻過程中在基底表面便會形成數(shù)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(yōu)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(xué)腐蝕金屬方法容易地分離，有利于后續(xù)對石墨烯進行加工處理。

　　現(xiàn)有制法還不能滿足石墨烯產(chǎn)業(yè)化的要求。包括微機械剝離法、外延生長法、化學(xué)氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法在內(nèi)的眾多制備方法目前仍不能滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。特別是產(chǎn)業(yè)化要求石墨烯制備技術(shù)能穩(wěn)定、低成本地生產(chǎn)大面積、純度高的石墨烯，這一制備技術(shù)上的問題至今尚未解決。

　　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(zhì)量的石墨烯仍然是一個較大的挑戰(zhàn)。雖然化學(xué)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(xué)氣相沉淀法在制備后期，對于石墨烯的轉(zhuǎn)移過程比較復(fù)雜，而且制備成本較高，另外基底內(nèi)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(dǎo)致降低石墨烯的導(dǎo)電性能及比表面積，進一步影響其在光電設(shè)備中的應(yīng)用，另外，氧化還原過程中容易引起石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，如碳環(huán)上碳原子的丟失等。

　　制法制約石墨烯產(chǎn)業(yè)化。石墨烯的各種頂尖性能只有在石墨烯質(zhì)量很高時才能體現(xiàn)，隨著層數(shù)的增加和內(nèi)部缺陷的累積，石墨烯諸多優(yōu)越性能都將降低。要真正的實現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化，體現(xiàn)出石墨烯替代其他材料的優(yōu)越品質(zhì)，必須在制備方法上尋求突破。只有適合工業(yè)化的石墨烯制法出現(xiàn)了，石墨烯產(chǎn)業(yè)化才能真正到來。