[发明专利]一种大规模制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备方法，具体涉及一种大规模制备高质量石墨烯的方法，属于材料技术领域。

背景技术

石墨烯（graphene）是指紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单层或少层（2-10层）碳原子，它是构建其他维数碳材料（零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨）的基本单元。研究发现，由于独特的结构特点，石墨烯具有各种远超现有材料的优异属性，例如：世界上最薄的材料 （单层石墨烯仅0.335 nm）、目前已知强度最高的材料、韧性极好 （弹性模量可达1.1 TPa）、优异的抗渗性 (He原子无法穿过）、突出的热导性能、室温下高速的电子迁移率、极高的比表面积 （单层石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g）、最轻的载荷子等。基于这些优异的特性，石墨烯可望在高功能纳电子器件、复合材料、催化材料、电池材料、场发射材料以及气体传感器等多领域内获得广泛的应用前景。因此，自2004年获得稳定存在的石墨烯二维材料后，在短短几年时间内，它已迅速成为凝聚态物理、材料科学和电子科技等领域最为活跃的研究前沿。 

但是，要获得以上优异特性的前提是，石墨烯必需是理想结构，没有任何缺陷。理论上来讲，石墨烯是由碳原子sp2杂化构成的一种二维晶体，其完美的六角晶格结构和二维结构赋予了其极高的理化性能。然而，石墨烯的性能与其质量（缺陷浓度）密切相关，质量水平不同的石墨烯表现出差异极大的性能特点。一般认为影响石墨烯质量，也就是结构完整性的主要因素是石墨烯中“缺陷”的种类和数量。例如，例如：机械剥离法制备出的高质量石墨烯电子迁移率可达到10000 cm²/VS，热导率可突破3000W/mK，弹性模量高达1 TPa，同时比表面积高达2000 m²/g。而化学剥离法制备出的石墨烯材料质量较低，存在大量缺陷和表面官能团，所以其电子迁移率则只有100 cm²/VS，比表面积仅达到700 m²/g。因此，高质量石墨烯的宏观可控制备是对其理化性能进行调控和开展应用探索的前提和保障。

目前，石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法^[1]、化学剥离法^[2]、SiC外延生长法^[3]、化学气相沉积^[4]等。

机械剥离法：是将高定向热解石墨剪切成石墨薄片，用胶带粘在薄片两侧，然后撕开胶带将薄片一分为二，重复以上过程就可以得到10层以下的石墨烯，甚至是单层的石墨烯。此方法的优点：可以获得极高品质的石墨烯片；缺点：产量很低，成本非常高。

SiC外延生长法：是在真空中加热SiC晶体，当温度达到1200℃~1500℃时，C-Si键发生断裂，含C原子较多的平面中的Si原子被蒸发出来，而剩余的碳原子会在SiC晶体(0001)面上排列成六方的石墨烯结构。这种方法的优点：可以制备较高质量的石墨烯且无须进行基底的转移；缺点：产量低、成本高，且石墨烯片的厚度不均匀。

化学气相沉积法：是利用高温分解碳氢气体，在极薄的镍催化剂或铜催化剂薄膜中，首先形成碳镍饱和固溶体，然后在冷却过程中，碳原子逐渐从镍或铜晶体中析出，而获得石墨烯片层。该方法的优点：在获得高品质石墨烯的同时，还能在合理的成本下获得较理想的产率，另外在制备大面积的石墨烯方面也具备一定的潜力。缺点：1) 制备的石墨烯通常需要转移到其它基底上，增加了制备的难度；2) 制备石墨烯的产量虽高于机械剥离法和外延生长法，但还远远不能满足人们在应用上的需求。