Preparation method and application of graphene

Auteur ：Iflowpower –Fournisseur de centrales électriques portables

Le graphène en tant que représentant typique des nanomatériaux de carbone, qui a attiré l'attention des scientifiques et s'intéresse beaucoup à leur forme cristalline étendue et à leurs propriétés électriques. D'une part, la principale méthode de préparation et le principe du graphène sont introduits, d'autre part, l'application extensive du graphène dans de nombreux domaines tels que les dispositifs nano-électroniques. Préparation massive à faible coût de matériaux de graphène pour la recherche sur le graphène et l'importance de l'application.

Les nanomatériaux de carbone sont un hotspot de recherche largement concerné dans le domaine des nouveaux matériaux dans les nouveaux matériaux d'aujourd'hui, dont le carbonnanotube (CNT), le graphène et le fullerène sont des représentants typiques des nanomatériaux de carbone. Puisqu'ils ont d'excellentes et uniques propriétés optiques, électriques et mécaniques, ils ont un large éventail de perspectives d'application. Parmi ces trois nanomatériaux de carbone typiques, le graphène bidimensionnel est une unité de base constituant les nanotubes de carbone unidimensionnels et le zéro-vivolirène (Fig.

1), qui a une forme cristalline et des propriétés électriques excellentes. Le graphène a été largement préoccupé par les scientifiques de l'Université de Manchester, en Angleterre, et ses performances étranges ont suscité des scientifiques et sont très intéressés par leurs performances étranges. Le graphène monocouche est présent dans une structure cristalline bidimensionnelle, l'épaisseur n'est que de 0.

334 nm, qui est une unité de base qui construit d'autres matériaux carbonés dimensionnels, qui peuvent être enroulés pour former un fulrène à résolution nulle, enroulés pour former un nanotube de carbone unidimensionnel, Formation de formation de graphite tridimensionnel. Grainne est un semi-conducteur n'ayant pas d'énergie, a une mobilité des porteurs (2 × 105 cm2/v) ayant une teneur élevée en silicium, avec un micromètre de course libre et une grande longueur de cohérence à température ambiante, donc le graphène est nanométrique. Matériel idéal pour circuit.

Graphie a une bonne conductivité thermique [3000W/(m·k)], une résistance élevée (110GPa) et une grande surface spécifique (2630 m2/g). Ces excellentes propriétés rendent le graphène dans le domaine des dispositifs nanoélectroniques, des capteurs de gaz, du stockage d'énergie et des composites. 1.

Méthode de préparation du graphène À l'heure actuelle, la méthode de préparation du graphène est principalement mécanique, réduction du graphite oxydé, méthode de décomposition thermique SiC, méthode de croissance par dépôt chimique, méthode épitaxiale, etc. 1.1, méthode de décapage micromécanique 2004, GEIM utilise d'abord la méthode de décapage micromécanique, avec succès décollé du graphite de craquage thermique à haute orientation (graphite de craquage thermique à haute orientation) et observé du graphène monocouche.

La largeur maximale du graphène monocouche préparé par le groupe de recherche GEIM peut atteindre 10 μm. La méthode est principalement basée sur un harnais de plasma d'oxygène pour graver la rainure de largeur de 20 μm à 2 mm, de profondeur 5 μm, et la presser sur le substrat SiO2 / Si fixé à la résine photosensible. Après la calcination, la feuille de graphite en excès a été décollée à plusieurs reprises avec un ruban transparent, et la feuille de graphite restante restante sur la tranche de Si a été trempée dans de l'acétone, et la grande quantité d'eau a été facilement nettoyée dans une grande quantité d'eau, et le une feuille sensiblement épaisse a été obtenue.

L'épaisseur de moins de 10 nm, ces couches minces s'appuient principalement sur la puissance ou la force capillaire de Van Dehua pour se lier étroitement à SiO2, et finalement sélectionner une épaisseur de seulement quelques épaisseurs de couche atomique unique sous le microscope à force atomique. Cette méthode peut être obtenir une feuille de graphène ayant une largeur de micromètres, mais il n'est pas facile d'obtenir une feuille de graphène épaisse à une seule couche atomique séparée, et le rendement est également très faible, il ne convient donc pas à la production et à l'application à grande échelle . Par la suite, Meyer et al.

Placé la tranche de Si contenant une seule couche de graphène dans la méthode de décapage du micro-ordinateur sur un cadre métallique gravé, et la tranche de Si a été corrodée avec un acide, et le graphène monocouche suspendu soutenu par le support métallique a été préparé avec succès. Et utilisez la microscopie électronique transmissive pour observer leur topographie. Ils ont étudié que le graphène monocouche n'est pas un plan plat, mais il y a un niveau (5 ~ 10 nm) sur le plan, et le degré de rides des surfaces de graphène monocouche est nettement supérieur au graphène bilatéral, et avec des couches de graphène L'augmentation du nombre de rides devient de plus en plus petite, ce qui peut être dû au graphène monocouche pour réduire son énergie de surface, convertie à partir de la forme tridimensionnelle bidimensionnelle, et peut spéculer sur les plis de la surface du graphène peut être Condition nécessaire, l'impact des plis sur la surface du graphène est à explorer plus avant.

La méthode de décapage micromécanique peut préparer du graphène de haute qualité, mais il y a un faible rendement et un coût élevé, ne répond pas aux exigences d'industrialisation et de production à grande échelle, et ne peut être utilisée que comme préparation de laboratoire à petite échelle. 1.2, méthode de dépôt chimique en phase vapeur méthode de dépôt chimique en phase vapeur est une méthode de préparation de matériaux semi-conducteurs à couches minces dans une industrialisation à grande échelle.

La méthode CVD fait référence à la réaction chimique de la substance de réaction dans des conditions gazeuses et génère la surface du matériau solide déposé dans la matrice solide chauffée, qui à son tour a un processus de matériau solide. Son processus de production est très parfait, et il est également devenu un moyen pour les chercheurs de préparer le graphène. La méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) fournit une méthode efficace qui contrôle le graphène, qui est différent de la préparation des NTC, la préparation d'un catalyseur granulaire lors de la préparation de catalyseurs granulaires avec la méthode CVD, qui est un substrat plat (tel qu'un film métallique, un métal simple cristal The et al.

Dans un précurseur dégradable à haute température (par exemple, le méthane, l'éthylène, etc.

) atmosphère, par recuit à haute température, déposant l'atome de carbone pour former du graphène, et enfin obtenir du graphène indépendant par corrosion chimique. pièce. En sélectionnant un type de substrat, une température de croissance, un flux de précurseur, tel que le taux de croissance, l'épaisseur, la surface, etc.

), cette méthode a préparé avec succès un graphène monocouche ou multicouche de la surface d'un centimètre carré. Le plus grand avantage est que les feuilles de graphène ont une grande surface. 1.

3, la méthode de la méthode de croissance épitaxiale consiste généralement à chauffer la surface monocristalline de 6H-SiC, à déréter les atomes de Si (surface 0001) pour préparer le graphène. La surface monocristalline 6H-SiC est d'abord réalisée, et le prétraitement de gravure H2 est prétraité, et l'oxyde de surface est éliminé de 1000 ° C sous ultra-vide (1,33 × 10-8 Pa), et l'oxyde est confirmé par le AugeRelectronspectroscopy.

Après élimination complète, l'échantillon est chauffé à 1250 à 1450 ° C et la température est de 10 à 20 minutes, et l'épaisseur de la feuille de graphène obtenue est principalement déterminée par la température de cette étape, et cette méthode peut préparer 1 à 2 carbone couches atomiques. Graphène épais, mais comme la structure de surface du cristal SiC est plus compliquée, il est difficile d'obtenir une grande surface, l'épaisseur est un graphène. BERGER et al.

Prend la méthode pour préparer un graphène monocouche et multicouche et étudier ses performances. Comparé au graphène obtenu par la méthode de décapage mécanique, le graphène préparé par la méthode de croissance épitaxiale présente une mobilité élevée des porteurs, mais on observe que l'effet Hall quantique est observé. 1.

4, méthode électrochimique LiU et al, le graphène est préparé par tige de graphite d'oxydation électrochimique. Ils insèrent deux barres de graphite de haute pureté dans une solution aqueuse contenant des liquides ioniques, et la tension de commande a été corrodée à 10 à 20 V, 30 min, et la réduction de la cathode cationique dans le liquide ionique a formé des radicaux libres, et la feuille de graphène Le π- électron est lié pour former une feuille de graphène fonctionnalisé de liquide ionique, et enfin le précipité noir dans la cellule électrolytique avec de l'éthanol anhydre, et le graphène peut être obtenu à 60 ° C pendant 2 h. Cette méthode peut être préparée à partir du graphène fonctionnalisé liquide ionique, mais la feuille de graphène préparée est plus grande que l'épaisseur du monogène.

1.5, méthode de synthèse organique Qian et al. Travailler avec des nanocarbones organiques synthétiques de graphène avec des structures déterminantes.

Ils ont été utilisés comme monomères à l'aide de tétrabromure (tétrabromo-pelenebisimides), qui peuvent se produire dans une réaction de couplage polymère sous l'activation du cuivre et de la L-proline, et ont obtenu différentes tailles d'Immine parallèle, synthèse chimique à haut rendement de graphène nano-contenant- contenant-contenant des groupes; ils ont également séparé deux isomères trois-trois-siphylimide par des phases liquides à haute performance, et combinés avec le calcul théorique ont encore élucidé leur structure. 2, le graphène d'application de graphène comprend un excellent transport d'électrons, un couplage optique, électromagnétique, thermodynamique, etc., donc dans les dispositifs nano-électroniques, les matériaux d'affichage à cristaux liquides haute performance, les cellules solaires, les matériaux d'émission de champ, les capteurs de gaz, l'énergie champs de stockage.

2.1, les matériaux de film transparent commercialisés industriellement par électrode transparente sont l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), en raison de la teneur limitée sur terre, les prix sont chers, particulièrement toxiques, de sorte qu'ils sont limités. En tant que nouvelle star de la qualité du carbone, le graphène est considéré comme un matériau alternatif à l'oxyde d'indium et d'étain, et le graphène est simple et peu coûteux, ce qui présente les avantages de la simplicité et du faible coût.

Route plate. Le groupe d'étude Mullen a déposé la réduction du thermostat par la méthode de revêtement d'imprégnation, la résistance du film était de 900Ω, la transmission de la lumière était de 70%, le film a été transformé en une électrode positive de la cellule solaire à colorant et l'efficacité de conversion d'énergie de la cellule solaire était de 0,26 %.

En 2009, le groupe d'étude a fabriqué une source récurrente de gaz et de carbone à l'aide d'acétylène, et le graphène a été préparé par une méthode de réduction à haute température, offrant la possibilité que le graphène soit un matériau de remplacement du verre conducteur. 2.2, la technologie des capteurs électrochimiques à capteur combine les technologies de l'information et la biotechnologie, impliquant des disciplines transversales telles que la chimie, la biologie, la physique et l'électronique.

Après l'apparition du graphène, les chercheurs ont découvert que le graphène fournissait un environnement bidimensionnel et un transfert d'électrons multiphase rapide sur la partie de bord, ce qui en faisait un matériau idéal pour les capteurs électrochimiques des étudiants. Le graphène préparé par CHEN est utilisé comme matériau d'électrode de capteur, et la faible concentration de NO2 peut être détectée à température ambiante, les auteurs pensent que si la qualité du graphène est encore augmentée, la sensibilité du capteur à la détection de gaz peut être améliorée. Gostene démontre un potentiel différent des autres matériaux dans le capteur, de sorte que de plus en plus de médecins s'en inquiètent, et le graphène actuel est également utilisé dans la détection médicale de la dopamine, du glucose, etc.

2.3, Super condensateur Le super condensateur est un système efficace de stockage et de transfert d'énergie, qui présente les avantages d'une grande densité de puissance, d'une grande capacité, d'une longue durée de vie, d'une protection économique de l'environnement et est largement utilisé dans divers lieux d'alimentation électrique. Graphie a une surface spécifique élevée et une conductivité élevée, contrairement à la répartition de l'électrode en matériau carboné poreux à s'appuyer, ce qui en fait le matériau d'électrode le plus potentiel.

CHEN et al, la densité de puissance du supercondensateur préparée par le matériau d'électrode en graphène est de 10 kW/kg, la densité d'énergie est de 28,5WH/kg, le condensateur spécifique maximum est de 205F/g et le rapport de 90% est conservé après 1200 tests de charge et de décharge cycliques Condensateur, a une durée de vie plus longue. Le potentiel du graphène dans les supercondensateurs devrait préoccuper davantage de chercheurs.

2.4, le graphène composite, les propriétés physiques, chimiques et mécaniques fournissent la puissance principale pour le développement de composites, et il est souhaitable d'ouvrir de nombreuses nouvelles applications, telles que de nouveaux matériaux polymères conducteurs, des composites polymères multifonctionnels et des céramiques poreuses à haute résistance. Matériel, etc...

Fan et al, la surface spécifique élevée et la mobilité électronique élevée du graphène sont préparées, et le complexe a un condensateur à rapport élevé (1046F / g) bien supérieur au poly pur. Capacité de rapport beylamidine 115f/g. L'ajout de graphène augmente la multifonctionnalité du composite et les performances de traitement du matériau composite offrent un champ d'application plus large pour les matériaux composites.

3, la conclusion, la conclusion, le graphène est utilisé comme nouveau matériau carboné bidimensionnel, avec un excellent transport d'électrons, couplage optique, électromagnétique, thermodynamique et mécanique, etc., dans les dispositifs nanoélectroniques, les matériaux d'affichage à cristaux liquides haute performance , batterie à énergie solaire, matériel de lancement sur le terrain, capteur de gaz et stockage d'énergie sont largement utilisés dans les champs, devenant ainsi des points chauds de recherche au pays et à l'étranger. Préparation massive à faible coût de matériaux de graphène pour la recherche sur le graphène et l'importance de l'application.

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