二維石墨烯具有卓越的光、電、熱和力學(xué)等性能，在眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中有巨大的應(yīng)用前景，被譽(yù)為下一代關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。然而，石墨烯產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用的瓶頸性問題是如何高效率、規(guī)模化、低成本和環(huán)境友好地制備高質(zhì)量石墨烯產(chǎn)品。

石墨烯是本世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的新興戰(zhàn)略材料之一，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性高、韌度高、強(qiáng)度高、比表面積超大等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)(表1)，可以大幅度提高復(fù)合材料的性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在航天、特種、半導(dǎo)體以及新一代顯示器等多個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，被譽(yù)為下一代關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

世界各國高度重視并皆將石墨烯提高到空前高度，投入大量人力、物力和財(cái)力搶占這一戰(zhàn)略高地。歐盟委員會(huì)將石墨烯列為僅有的兩個(gè)“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一。美國也將石墨烯視為同3D打印技術(shù)同等重要的支撐未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。中國也在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出積極開發(fā)石墨烯材料。

1面向應(yīng)用的石墨烯制備方法

微機(jī)械剝離法

Geim等利用氧等離子束先在高定向熱解石墨表面刻蝕出寬20μm～2mm、深5μm的微槽，用光刻膠將其粘到玻璃襯底上進(jìn)行焙燒，再用透明膠反復(fù)地從石墨上剝離出石墨薄片，放入丙酮溶液中超聲振蕩，再將單晶硅片放入丙酮溶劑中，由于范德華力或毛細(xì)管力，單層石墨烯會(huì)吸附在硅片上，從而成功地制備出單層的石墨烯。

該方法直接從石墨上剝離出少層或者單層石墨烯，簡單易行，不需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，得到的石墨烯保持著完美的晶體結(jié)構(gòu)，缺陷少，質(zhì)量高。缺點(diǎn)是石墨烯的生產(chǎn)效率極低，僅限于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究。

外延生長法

該方法以單晶6H-SiC為原料，利用氫氣刻蝕處理后，再在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定樣品表面的氧化物被完全移除后，在超低真空(1.333×10？8Pa)、高溫(1200～1450℃)條件下，恒溫1～20min，熱分解去除其中的Si，在單晶(0001)面上分解出厚度受溫度控制的石墨烯片。

該方法制備的石墨烯電導(dǎo)率較高，適用于對(duì)電性能要求較高的電子器件。主要缺點(diǎn)是該方法會(huì)產(chǎn)生難以控制的缺陷以及多晶疇結(jié)構(gòu)，很難獲得長程有序結(jié)構(gòu)，難以制備大面積厚度單一的石墨烯。此外，制備條件苛刻、成本高，要在高壓、真空條件下進(jìn)行，分離難度大。