怎样获取石墨烯材料

       现今石墨烯的产业已经开始有了基本的发展雏形，在改善传统行业和发展新研发力量方面发挥了很大的作用。

　　石墨烯的结构

　　石墨烯是零带隙半导体，厚度仅为0.35nm，其在平面内由一个碳原子和邻近的三个碳原子通过sp2杂化方式形成的键相连，呈六角形蜂巢晶格状，厚度仅为单层碳原子直径，垂直石墨烯平面方向则由2pz轨道相互耦合形成了弱的键，石墨烯的输运性质由离域化的电子决定[8]，而电子的费米面刚好位于导价带的接触点。

　　该点附近的圆锥形能带结构分别称为K和谷，其导价带结构呈现出线性的色散关系，这种关系与描述无质量狄拉克费米子的狄拉克能谱的关系十分相似，因此可以把石墨烯中的载流子看成无质量的狄拉克费米子[11]。这致使石墨烯具有许多特殊的性质，如反常半整数量子霍尔效应、克莱因隧穿等[5]。

　　由于尺寸限制，实际中的石墨烯会有边界，并且边界原子不像内部原子一样为sp2杂化。当石墨烯尺寸足够小而形成纳米带时，其边界效应就会显现，通常常见的边界有zigzag(锯齿形)边界和armchair(扶手梯形)边界。

　　其中zigzag边界的石墨烯纳米带具有自旋极化现象，并有着良好的磁学特征，而armchair边界的石墨烯纳米带则没有该现象，整体是无磁性的，在热力学上也更加稳定[12]。随着尺寸的减小，边界对石墨烯材料的电子性质、传输性质、化学和磁学等性质的影响会越显著[13]。

　　此外，在石墨烯的生产过程中，不可避免地会产生本征缺陷。这些缺陷主要包括Stone-Wales缺陷、空位缺陷、线缺陷、边界缺陷等，它们即使在低浓度的情况下，对石墨烯的物理和化学性质也会有较严重的影响[8,9]。

　　 石墨烯的常用制备方法

　　石墨烯的制备方法可以分为物理方法和化学方法，目前常用的物理制备方法有机械剥离法、液相或气相剥离法等，化学方法有氧化还原法、外延生长法、化学气相沉积法、电弧放电法等。

　　1. 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。

　　2. 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。

　　3. 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。化学气相沉淀CVD法具体过程是：将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底Cu、Ni表面，反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯，此过程中包含碳原子在基底上溶解及扩散生长两部分。该方法与金属催化外延生长法类似，其优点是可以在更低的温度下进行，从而可以降低制备过程中能量的消耗量，并且石墨烯与基底可以通过化学腐蚀金属方法容易地分离，有利于后续对石墨烯进行加工处理。

　　4. 氧化石墨还原法

　　氧化石墨还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。另外该方法还有一个优点，就是可以先生产出同样具有广泛应用前景的功能化石墨烯－－氧化石墨烯。

　　其具体操作过程是先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。

       石墨烯的制备方法中，CVD法是当前使用率最高的制备方法，这项方法能够实现大规模的生产。