石墨烯合成的方法

半导体物理课程作业石墨烯的制备与应用（材料）目录一、石墨烯概述 (2)二、石磨烯的制备 (3)1、机械剥离法 (3)2、外延生长法 (5)3、化学气相沉积法 (6)4、氧化石墨-还原法 (6)5、电弧法 (9)6、电化学还原法 (9)7、有机合成法 (10)三、石墨烯的应用 (11)1、石墨烯在电子器件领域的应用 (11)1.1 石墨烯场效应晶体管 (11)1.2 石墨烯基计算机芯片 (12)1.3 石墨烯信息存储器件 (13)2、石墨烯在能源领域的应用 (14)2.1 石墨烯超级电容器 (14)2.2 锂离子电池 (15)2.3 太阳能电池 (16)2.4 储氢/甲烷器件 (17)3、石墨烯在材料领域的应用 (18)3.1 特氟龙材料替代物 (18)3.2 石墨烯聚合物复合材料 (18)3.3 光电功能材料 (19)4、石墨烯在生物医药领域的应用 (20)4.1 基于氧化石墨烯的纳米载药体系 (20)4.2 氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测 (21)4.3用于生物成像技术 (23)4.4 石墨烯在肿瘤治疗方面的应用 (23)四、总结及展望 (24)参考文献 (25)一、石墨烯概述碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。

碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。

而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值，从而为碳基材料的研究提供新的目标和方向。

碳的晶体结构—石墨和金刚石(三维)是自然界中最早为人们熟知的两种碳同素异构体，因化学成键方式不同而具有截然相反的特性。

1985年，一种被称为“巴基(零维)被首次发现，三位发现者于11年后, 即1996年获诺贝尔球”的足球形分子C60化学奖。

化学气相沉积法制备石墨烯材料CVD法的基本过程如下：1.准备基底：选择合适的基底材料，例如金属箔（铜、镍等）或硅衬底。

2.清洗基底：使用适当的化学方法去除基底表面的杂质和氧化物，以确保表面干净。

3.加热基底：将基底放置在热处理炉中，使其达到适当的温度。

温度取决于所用的前体气体以及所需的石墨烯形成条件。

4.供应前体气体：将含有碳源的气体（例如甲烷、乙炔等）通过气流或者进料管道送入炉内，并与热基底表面上的金属发生反应。

5.反应过程：碳源气体在基底表面上分解，生成碳原子，并在热基底上扩散。

生成的碳原子随后通过化学反应在基底上重新组合，形成石墨烯结构。

6.石墨烯形成：在适当的条件下，石墨烯会开始在金属基底表面上生长。

通常，石墨烯以多层形式开始，并随后通过控制反应条件使其转变为单层石墨烯。

7.冷却和收集：待石墨烯生长完成后，慢慢降低温度，使基底和石墨烯冷却至室温。

如果需要分离石墨烯层，可以使用化学方法或机械方法分离。

CVD法制备石墨烯的优势在于具有较高的控制性和可扩展性。

通过调节反应温度、反应时间和气氛的成分，可以实现对石墨烯的厚度、结晶度和晶粒大小的控制。

此外，CVD法也可以在大面积基底上实现石墨烯的合成，具备工业化生产的潜力。

然而，CVD法也存在一些挑战和限制。

首先，CVD法需要昂贵的设备和复杂的操作，因此成本较高。

另外，CVD法制备的石墨烯通常需要通过化学方法或机械方法与基底分离，这可能会导致石墨烯的质量下降或损坏。

此外，CVD法制备的石墨烯往往在基底上存在大面积缺陷，对于一些应用，如柔性电子器件，缺陷的存在可能会造成问题。

尽管如此，CVD法仍然是制备石墨烯的重要方法之一，其在石墨烯研究领域和应用领域中具有广泛的应用前景。

通过进一步改进和优化CVD过程，并提高石墨烯的质量、控制性和成产率，可以推动石墨烯技术的发展和商业化应用。

双层石墨烯的合成与应用双层石墨烯是一种具有非常特殊性质的二维材料。

相比单层石墨烯，它具有更高的机械强度和更强的光吸收能力，同时还具有其他石墨烯所没有的性质，如能带调控和电学和磁学优异性等等。

因此，双层石墨烯的研究一直是科学家们关注的热点问题之一。

首先让我们来谈谈双层石墨烯的合成方法。

目前，主要的方法有机械剥离法和浸渍法。

在机械剥离法中，先用胶带或其他方法将单层石墨烯剥离下来，再将其层层堆叠压实得到双层石墨烯。

而在浸渍法中，则是将一层石墨烯放在其他材料的溶液中浸泡，然后将其干燥得到双层石墨烯。

此外，还有化学气相沉积法、电子束蒸发法以及化学还原法等合成方法。

这些方法各有优缺点，根据需要选择不同的方法来得到所需的双层石墨烯。

那么，双层石墨烯有什么应用呢？最为广泛的应用就是在电子学领域。

双层石墨烯的载流子质量明显比单层石墨烯大，因此具有更高的电导率。

研究表明，双层石墨烯的电流密度比单层石墨烯高了一个数量级，因此可以在某些场合下取代现有的电子学材料，如二极管等。

同时，双层石墨烯还有用于光电器件的潜在应用价值，如磁光器件和各种光电传感器等。

除了电子学以外，双层石墨烯还在纳米材料领域具有广泛的应用。

例如，可以用双层石墨烯制造纳米机械元件，用于微处理器和微机械系统。

此外，双层石墨烯还可以被用于制备纳米传感器，用于检测不同类型的物质和生化分子等。

双层石墨烯还具有极高的比表面积和出色的化学稳定性，因此还可以作为电池和催化剂等领域的理想材料。

尽管双层石墨烯具有如此多的优点和广阔的应用前景，但目前它的研究仍处于发展初期，许多问题和挑战也需要我们去面对和解决。

例如，在制备过程中，如何控制双层石墨烯的厚度、结构和排列方式等，仍是一个亟待解决的问题。

此外，双层石墨烯的制备成本仍较高，这也制约了其实际应用。

这些问题的解决离不开材料科学和纳米科技的进一步发展，科学家们需要继续开展深入的研究，以促进双层石墨烯的广泛应用并发掘其更多的应用潜力。

cvd石墨烯的制备与转移CVD石墨烯的制备与转移引言：石墨烯作为一种二维材料，具有优异的电学、热学和力学性能，在电子器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用前景。

其中，化学气相沉积（CVD）是一种常用的制备方法，可以在金属衬底上快速高效地合成大面积的石墨烯薄膜。

本文将重点介绍CVD石墨烯的制备过程以及转移技术。

一、CVD石墨烯的制备过程1. 基本原理CVD石墨烯的制备是通过在高温环境下使碳源气体分解生成石墨烯，并在金属衬底表面沉积形成薄膜。

常用的碳源气体有甲烷、乙烯等。

在高温条件下，碳源气体分解生成碳原子，然后在金属表面进行扩散和聚合，最终形成石墨烯结构。

2. 制备步骤（1）准备金属衬底：常用的金属衬底有镍、铜等。

首先需要对金属衬底进行表面处理，以提高石墨烯的生长质量。

（2）预处理：将金属衬底放入热处理炉中，在惰性气氛下进行退火处理，去除表面氧化物等杂质。

（3）生长条件设置：将处理后的金属衬底放入石墨炉中，加热到适当的温度。

同时，通过注入碳源气体和惰性气氛来控制反应气氛。

（4）生长时间控制：根据需要得到的石墨烯薄膜厚度，控制反应时间。

一般情况下，生长时间越长，石墨烯的厚度越大。

（5）冷却处理：将反应结束后的金属衬底冷却至室温，取出即可得到CVD生长的石墨烯。

二、CVD石墨烯的转移技术将CVD生长的石墨烯从金属衬底上转移到目标衬底上是进行后续器件制备的关键步骤。

常用的转移技术有机械剥离法、热释放法和湿法转移法。

1. 机械剥离法机械剥离法是最早被采用的一种石墨烯转移技术。

通过在石墨烯上涂覆一层粘性较弱的聚合物，然后用胶带或支撑材料将石墨烯剥离下来，再将其转移到目标衬底上。

这种方法操作简单，但对石墨烯的质量和完整性要求较高。

2. 热释放法热释放法通过在金属衬底上生长一层较厚的二硫化钼（MoS2）薄膜，然后通过加热使MoS2与金属衬底分离，从而将石墨烯转移到目标衬底上。

这种方法相对较容易实现，但需要使用高温来实现MoS2与金属衬底的分离。

电化学法石墨烯电化学法是一种合成石墨烯的常用方法之一。

石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的电子、热传导性能以及高度的机械强度。

电化学法可以通过控制电解液中的化学反应，在电极上制备石墨烯。

在电化学法中，通常使用氧化石墨（GO）作为起始材料。

首先，将GO溶解在适当的溶剂中，形成GO溶液。

然后，在两个电极上施加电压，通过阳极氧化和阴极还原的反应，将GO 还原为石墨烯。

一般来说，阳极一般由金属材料制成，例如铂或不锈钢，而阴极可以是碳材料或金属材料。

电化学法合成石墨烯的主要优势是制备过程简单，可控性强，可以在大面积、连续生产石墨烯。

此外，电化学法合成的石墨烯在电子器件等领域具有广泛应用前景，因为它具有较高的电导率和良好的透明性。

然而，电化学法合成的石墨烯也存在一些缺点，例如合成过程中需要控制电流密度、温度和时间等参数，以确保石墨烯的质量和一致性。

此外，电化学法合成的石墨烯可能存在多层薄片或缺陷，因此后续的处理和处理步骤可能需要进一步提高石墨烯的质量。

总的来说，电化学法是一种重要的石墨烯合成方法，具有许多优点和应用前景。

随着研究和技术的不断发展，电化学法合成石墨烯的效率和质量将会得到进一步提高。

除了上述电化学还原法，电化学剥离法也是一种常用的电化学合成石墨烯的方法。

电化学剥离法主要通过在石墨电极上施加电压，在电极表面生长出石墨烯，并通过剥离的方式将石墨烯从电极上分离。

具体步骤如下：首先，在石墨电极表面形成一层氧化物保护层，例如氧化铜（Cu2O）或氧化锌（ZnO）；然后，在保护层上施加电压，使含有碳原子的分子在保护层上形成石墨烯；最后，通过适当的方法（例如化学剥离或机械剥离）将石墨烯剥离出来。

与电化学还原法不同，电化学剥离法可以在常温下进行，并且对材料的选择更加灵活。

此外，电化学剥离法制备的石墨烯通常具有较高的质量和单层厚度，适用于许多应用领域，例如电子器件、传感器和储能材料等。

值得注意的是，电化学法合成的石墨烯通常还需要进一步进行后续处理，以去除可能存在的副产物、杂质和多层薄片。

催化剂在石墨烯合成中的应用石墨烯，一种由碳原子构成的单层二维晶体，在其发现之后便引起了科学界的高度关注。

它拥有极高的机械强度、热导率和电导率，具有广泛的应用前景，如电子器件、传感器、能量存储等。

然而，石墨烯的制备一直是挑战性的科学问题之一。

在这个过程中，催化剂的作用不可忽视，为石墨烯的制备提供了重要的辅助和帮助。

1. 石墨烯的制备石墨烯可以通过多种方法制备，其中化学气相沉积法(CVD)是最常用的方法之一。

该方法采用金属基底催化剂，如铜、镍等，作为反应介质和石墨烯生长的基础，将碳源气体(一般是甲烷、乙烯等)导入反应体系中，利用高温(800-1000 ℃)和低压(1-10 Torr)条件下促进碳源气体的热解和沉积，最终形成单层或多层的石墨烯膜。

2. 催化剂在石墨烯制备中的作用金属基底催化剂在石墨烯制备过程中发挥着至关重要的作用。

它们不仅提供了石墨烯的生长基底，还可以降低制备温度、提高石墨烯的生长速率和质量。

此外，催化剂还可以对碳源气体进行催化分解、加速石墨烯的生长，同时还可以调节石墨烯的形态和晶格结构。

3. 催化剂的选择和改性在石墨烯的制备过程中，金属基底催化剂的选择对石墨烯的质量和生长速率有着重要的影响。

一般而言，镍和铜是比较常用的催化剂，但不同的催化剂对应不同的制备条件和石墨烯品质。

比如，镍催化剂可以在低于800℃的温度下制备单层石墨烯，而在高温条件下则可能出现多层、HOPG等结构，而铜则相反。

另外，人们也研究和改进了一些新型的催化剂，如芳香族化合物、有机物质等，在提高石墨烯质量、降低生产成本等方面开展了新的尝试。

4. 催化剂削蚀对石墨烯制备的影响在石墨烯的制备过程中，催化剂削蚀是一个难以避免的现象，它会产生不利的影响。

催化剂削蚀可能导致石墨烯聚集、杂质含量增加、结构失稳等问题，从而影响石墨烯的质量和性能。

为了减少催化剂削蚀的影响，人们在催化剂表面进行了改性和修饰，如添加微量元素、修饰表面化学性质等。

1 将3g石墨粉，2.5g k2S2O8(过硫酸钾)和2.5g P2O5(五氧化二磷)加入到12ml的浓硫酸中，在80o C的温度下强力搅拌4.5h。

（注：80o C以上即可，搅拌过程中时刻注意在水浴中加水，还要注意搅拌子是否转动，不要让溶液溅到内侧小烧杯中）
2 溶液冷却到室温后，将500ml的去离子水加入上述溶液中，静置12h。

（12h左右即可）
3 过滤出悬浮液，清洗、干燥，得到黑色固体。

4 将黑色固体混合120ml浓硫酸和15g的KMnO4，放到20o C一下的冰浴中冷却，然后转移到油浴（或水浴）中，在35o C下强力搅拌2h。

（注：注意添加顺序，浓硫酸和高锰酸钾容易发生爆炸）
5 将产生的黑灰色泥浆缓慢加入250ml的去离子水，再搅拌2h。

（加水时注意，以免发生危险）
6 用20ml（30wt%）的H2O2缓慢加入到溶液中，产生金灰色溶液。

（注：加双氧水要缓慢，以免发生危险）
7 合成产物离心，样品用稀盐酸（1:10）和去离子水清洗，直到溶液ph约为6，然后产物在40o C温度下干燥即可。

石墨烯材料的合成和性能控制技巧石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有超薄、高导电、高热导、高强度等优越的物理和化学性质。

它被广泛认为是未来科技领域的一个重要突破口，应用前景广阔。

本文将探讨石墨烯的合成方法和性能控制技巧。

首先，我们先来了解一下石墨烯的制备方法。

目前主要的合成方法有机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法等。

机械剥离法是最早被发现的制备石墨烯的方法，通过使用胶带等物理手段将石墨的层层剥离，得到单层石墨烯。

虽然这种方法简单易行，但产量低、成本高，不适用于大规模制备。

化学气相沉积法是一种通过在金属衬底上加热石墨，使其分解并在金属表面沉积的方法。

这种方法可以制备大面积的石墨烯，但需要高温条件和复杂的设备。

化学还原法则是通过还原氧化石墨烯氧化物（GO）得到石墨烯的方法，成本较低，但还原后的产物质量控制相对复杂。

石墨烯的合成方法的选择将直接影响石墨烯的性能和应用。

接下来，我们来讨论一下石墨烯材料的性能控制技巧。

石墨烯的性能可以通过控制其结构和形貌来实现调控。

首先是石墨烯的结构调控，包括控制石墨烯的层数、形状和尺寸。

石墨烯的层数可以通过改变合成方法和参数来调控，不同层数的石墨烯具有不同的性质和应用潜力。

形状和尺寸的调控可以通过模板法、激光剥离法等方法实现，从而制备出不同形态的石墨烯材料，如纳米带、纳米片等。

其次是控制石墨烯的化学组成和结构。

例如，通过在石墨烯表面引入不同的官能团，可以调控石墨烯的化学反应性和表面性质。

此外，通过控制石墨烯的缺陷结构，如点缺陷和线缺陷，可以调控石墨烯的电子结构和性能。

性能控制技巧的研究将为石墨烯的应用提供更多可能性。

在石墨烯材料的合成和性能控制的基础上，石墨烯的应用也日益丰富。

石墨烯的高导电性使其成为电子器件领域的理想材料，可以用于制备超高速晶体管、透明导电薄膜等。

石墨烯的高热导性使其成为制备高效散热材料的理想选择，可应用于电子设备、热管理系统等领域。

此外，石墨烯还具有出色的力学性能，可以制备出柔性电子器件和纳米机械系统。

石墨烯制备四种主要方法石墨烯制备技术发展迅速。

石墨烯优良的性能和广泛的应用前景，极大的促进了石墨烯制备技术的快速发展。

自2004年Geim等首次用微机械剥离法制备出石墨烯以来，科研人员又开发出众多制备石墨烯的方法。

其中比较主流的方法有外延生长法、化学气相沉淀CVD 法和氧化石墨还原法等。

现有制法还不能满足石墨烯产业化的要求。

包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法和氧化石墨还原法在内的众多制备方法目前仍不能满足产业化的要求。

特别是产业化要求石墨烯制备技术能稳定、低成本地生产大面积、纯度高的石墨烯，这一制备技术上的问题至今尚未解决。

微机械剥离法石墨烯首先由微机械剥离法制得。

微机械剥离法即是用透明胶带将高定向热解石墨片按压到其他表面上进行多次剥离，最终得到单层或数层的石墨烯。

2004年，Geim，Novoselov 等就是通过此方法在世界上首次得到了单层石墨烯，证明了二维晶体结构在常温下是可以存在的。

微机械剥离方法操作简单、制作样本质量高，是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法。

但其可控性较差，制得的石墨烯尺寸较小且存在很大的不确定性，同时效率低，成本高，不适合大规模生产。

外延生长法外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。

碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。

金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。

气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。

化学气相沉淀CVD法：最具潜力的大规模生产方法CVD法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。

1、化学还原石墨烯氧化物法（推荐）试剂：石墨粉浓硫酸高锰酸钾水合肼 5%双氧水盐酸氢氧化钠仪器：超声仪离心仪实验步骤：氧化石墨制备：将 10 g 石墨 230 mL 98%浓硫酸混合置于冰浴中，搅拌 30 min 使其充分混合。

称取 40 g KMnO4 加入上述混合液继续搅拌 1 h 后移入 40o C温水浴中继续搅拌30 min 用蒸馏水将反应液(控制温度在 100 o C以下)稀释至 800-1 000mL。

后加适量 5% H2O2趁热过滤，用 5% HCl 和蒸馏水充分洗涤至接近中性。

最后过滤、洗涤在 60o C下烘干得到氧化石墨样品。

石墨烯制备：称取上述氧化石墨 0.05 g 加入到100 mL pH=11 的NaOH 溶液中在150 W 下超声90 min 制备氧化石墨烯分散液。

在 4 000 r/ min下离心 3 min 除去极少量未剥离的氧化石墨。

向离心后的氧化石墨烯分散液中加入0.1 mL水合肼，在90o C反应 2 h 得到石墨烯分散液，密封静置数天观察其分散效果。

2、微波法（推荐）试剂：石墨 NH4S2O8 H2O2仪器：超声仪实验步骤：将石墨与NH4S2O8 及H2O2在超声下混合, 然后进行微波反应, 成功制备了石墨烯。

他们指出该过程包括两步反应。

首先,NH4S2O8 在微波下发生了分解产生了氧自由基,在氧自由基的诱导下, 石墨纳米片被切开。

然后H2O2 分解并插入石墨纳米片层间从而导致石墨烯的剥离。

3、化学气相沉积法试剂：二氧化硅/硅镍甲烷氢气氩氨气仪器：马福炉实验步骤：K im等首先在S iO2 /Si基底上沉积一层100- 500nm厚的金属镍薄层, 然后在1 000o C 及高真空下, 以甲烷、氢气及氩气混合气为反应气,在较短的时间内制备了石墨烯。

W ei等采用甲烷和氨气为反应气, 一步法直接合成了氮掺杂的石墨烯。

在该氮掺杂的石墨烯中氮原子采取“石墨化”、“吡咯化”及“吡啶化”这三种掺杂方式。