Preparación y aplicación de grafeno.

El grafeno (grafeno) como representante típico de los nanomateriales de carbono, con su excelente estructura cristalina y rendimiento eléctrico, ha atraído la atención generalizada y el gran interés de los científicos. En este trabajo, por un lado, se presentan los principales métodos de preparación del grafeno y se introduce el principio, por otro lado, en vista del grafeno en el campo de los dispositivos electrónicos a nanoescala, y muchos otros ampliamente utilizados para hacer una descripción general. La preparación masiva a bajo costo de materiales de grafeno es de gran importancia para la investigación y aplicación del grafeno.

Los nanomateriales de carbono son el foco de investigación más popular en el campo de los nuevos materiales, incluidos los nanotubos de carbono (CNT Carbon Nanotube) y el grafeno (grafeno), así como los fullerenos (fullereno) son un representante típico de los nanomateriales de carbono. Debido a que tienen propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas fuertes y únicas, tienen una amplia perspectiva de aplicación. En los tres nanomateriales de carbono típicos, el grafeno bidimensional es un nanotubo de carbono unidimensional y la dimensión cero de la unidad básica del fullereno (figura 1), tiene una estructura cristalina y un rendimiento eléctrico extremadamente buenos.

Graphene (Graphene) desde 2004 fue Geim y otros informes, un profesor de la universidad de Manchester, Inglaterra, con su peculiar desempeño ha atraído una gran atención e interés de los científicos. El grafeno de una sola capa existe en una estructura de cristal bidimensional, el grosor de solo 0.334 nm, es la unidad básica de las otras dimensiones del material de carbono, se puede envolver para formar fullerenos hambrientos de dimensión cero, enrollar de forma unidimensional nanotubos de carbono, grafito capa sobre capa para formar un tridimensional. El grafeno es una especie de brecha sin energía del semiconductor, tiene más de 100 veces la movilidad del portador de silicio (2 x 105 cm2 / V), a temperatura ambiente con un camino libre de grado micrónico y una mayor longitud de coherencia, por lo que el grafeno es el material ideal de circuito nanométrico. El grafeno tiene una buena conductividad térmica de 3000 w / (m, K), alta resistencia (110 GPA) y una gran superficie específica (2630 m2 / g) .Estos excelentes resultados hacen que el grafeno en dispositivos electrónicos a nanoescala, sensores de gas, almacenamiento de energía y compuestos materiales y otros campos tienen una perspectiva de aplicación brillante.

1, el método de preparación del grafeno.

En la actualidad, los principales métodos de preparación del grafeno son el método mecánico, la descomposición térmica de la reducción del óxido de grafito, el método de crecimiento de SiC, el método de deposición química, el método de extensión, etc.

1.1, método de pelado micro mecánico

En 2004, Geim tiene por primera vez el método de extracción micromecánica, como el alto éxito de la disección de grafito de pirólisis térmica direccional (grafito pirolítico altamente orientado) y la observación del grafeno de una sola capa. La preparación del equipo de Geim de grafeno monocapa, uno de los más anchos, puede ser de hasta 10 micrones. El método principal consiste en utilizar un haz de plasma de oxígeno en una superficie de grafito pirolítico de alta orientación (HOPG) grabando 20 mu m ~ 2 mm de ancho, superficie de ranura profunda de 5 micrones, y suprimirlos con un sustrato fotorresistente de SiO2 / Si, después de tostar, repetidamente con cinta transparente que quita escamas de grafito redundantes, escamas de grafito residuales en obleas de Si empapadas en acetona, y en mucha agua y propanol en limpieza ultrasónica, elimine la mayor parte de la laminilla más gruesa después de obtener la capa de espesor inferior a 10 nm, la capa de corte delgado se basa principalmente en la fuerza de van der Waals o fuerza capilar y SiO2, integrado en el microscopio de fuerza atómica finalmente seleccionado solo unas pocas capas de grafeno gruesas de una sola capa atómica, este método puede obtener el ancho del tamaño de micras de las películas de grafeno, pero no es fácil independizarse piezas de grafeno de espesor de capa atómica única, el rendimiento es bajo, por lo que no es adecuado para la producción y aplicación a gran escala.

Luego lo hará con el método de extracción de microcomputadoras Meyer, la oblea de Si que contiene grafeno monocapa colocada en un posterior grabado de una rejilla metálica, la oblea de Si con corrosión ácida, la preparación exitosa de grafeno monocapa inminente soportado por stents metálicos, su morfología por observación temporal. Descubrieron que el grafeno monocapa no es un plano plano, pero el plano tiene un pliegue de cierta altura (5 ~ 10 nm), el pliegue de la superficie del grafeno monocapa era significativamente más del doble que el grafeno, y con el aumento de las capas de grafeno el grado de pliegue es más y más pequeño, esto puede deberse al grafeno de una sola capa para reducir su energía superficial, de la transformación morfológica bidimensional a tridimensional, por lo que se puede especular que el pliegue en la superficie del grafeno puede ser una condición necesaria para la existencia de dos -grafeno dimensional y grafeno en la superficie del pliegue en su rendimiento necesita una mayor exploración. Se puede preparar un método de extracción micro mecánica con grafeno de alta calidad, pero las deficiencias de la baja tasa de producción y el alto costo no cumplieron con los requisitos de industrialización y producción en masa, en la actualidad solo como una preparación de laboratorio a pequeña escala.

1.2, método de deposición de vapor químico

El método de deposición de vapor químico (posición de vapor químico) es el método más utilizado de preparación industrial en masa de materiales semiconductores de película delgada. El método CVD se refiere al material en las condiciones de reacción en fase gaseosa que se emiten por reacción bioquímica, generan la deposición de sólidos en la superficie del sustrato sólido que se calienta, lo que hace que el material sólido se procese. Su proceso de producción es muy perfecto, los investigadores se han convertido en una forma de preparación de grafeno.

El método de deposición química de vapor (CVD) proporciona un método de control efectivo del grafeno que puede ser diferente de la preparación de CNT, el grafeno preparado por el método CVD no necesita un catalizador granular, se basa en el plano (como una película de metal, metal simple cristal, etc.) en atmósfera de precursor descomponible a alta temperatura (como metano, etileno), hacer a través de recocido a alta temperatura la deposición de carbono en la superficie basal del grafeno, finalmente mediante el método de grabado químico para eliminar la base metálica después de obtener las piezas independientes de grafeno. Al seleccionar el tipo de base, la temperatura de crecimiento, los parámetros de flujo del precursor como el crecimiento de la regulación del grafeno (como la tasa de crecimiento, el grosor, el tamaño, etc.), este método se ha preparado con éxito área de centímetro cuadrado de grafeno monocapa o multicapa nivel, su mayor ventaja es que se puede preparar con un área más grande de las películas de grafeno.

1.3, y el método de crecimiento epitaxial.

Este método es generalmente calentando 6 h - la superficie de SiC de un monocristal, se prepara el grafeno atómico de separación de Si (0001). Primeras 6 h - Oxidación superficial de monocristal de SiC o pretratamiento de grabado con H2, bajo vacío ultra alto (1,33 x - 8-10 pa), elimine el óxido de la superficie calentado a 1000 ℃, mediante espectroscopía electrónica de barrena (espectroscopía de Auge) determinada a óxido se ha eliminado por completo, la muestra y luego se calienta a 1250 ~ 1450 ℃ y la temperatura 10 ~ 20 min, el grafeno se preparó por el grosor de la rebanada se decide principalmente por la temperatura de este paso, este enfoque para la preparación del carbono 1 ~ 2 átomo de capa gruesa de grafeno, pero como resultado de la estructura de la superficie del cristal de SiC es relativamente compleja, difícil de obtener el grosor del área grande, tiene el grafeno. Berger utilizando respectivamente el método como la preparación de la monocapa y multicapa de grafeno y estudiar su rendimiento. En comparación con el método de extracción mecánica del grafeno, el método de crecimiento epitaxial de preparación del grafeno mostró una mayor movilidad del portador y otras características, pero no puede detectar el efecto de pasillo cuántico.

1.4, métodos electroquímicos

Liu se preparó mediante el método de oxidación electroquímica de varillas de grafito como el grafeno. Ambas barras de grafito de alta pureza en la solución acuosa que contiene los líquidos iónicos en paralelo, el voltaje de control en 10 a 20 v, 30 min después de la corrosión de la barra de grafito del ánodo, los radicales catiónicos formados en la reducción catódica de líquidos iónicos y el grafeno en La unión electrónica PI, forma la funcionalización de líquidos iónicos de películas de grafeno, finalmente con etanol anhidro lavando depósitos negros en la celda electrolítica, secar 2 h puede obtener grafeno por debajo de 60 ℃. Este método puede intervenir en la preparación de la funcionalización líquida iónica del grafeno, pero la preparación de la capa de grafeno es mayor que el espesor de la capa atómica única.

1,5, síntesis orgánica

Qian con estructura definida que se preparó mediante síntesis orgánica como nano cinturones de grafeno y defecto cero. Eligen cuatro bromo) imida (tetrabromo - perilenobisimidas) como monómero, los compuestos en yoduro cuproso y L - prolina pueden ocurrir bajo la activación de muchas moléculas, la reacción de acoplamiento entre las diferentes escalas y) imida, implementa la imida que contiene nano grafeno. grupo con síntesis química eficiente; También lo hacen mediante la separación de líquidos de alto rendimiento de los dos y tres isómeros de imida, combinados con el cálculo teórico para ilustrar mejor su estructura.

2, la aplicación de grafeno

El grafeno tiene un excelente transporte de electrones, acoplamiento óptico, propiedades electromagnéticas, térmicas y mecánicas, por lo que en dispositivos electrónicos a nanoescala, materiales de pantalla de cristal líquido de alto rendimiento, batería de energía solar, materiales de emisión de campo, sensores de gas y almacenamiento de energía, y otros campos tienen una amplia gama de aplicaciones.

2.1, electrodo transparente

Se ha comercializado en la industria el material de membrana transparente es óxido de indio y estaño (ITO), debido a que el contenido del elemento indio en la tierra es limitado, el precio es caro, sobre todo la toxicidad es muy grande, hacen que su aplicación sea restringida. Como nueva estrella de los materiales carbonosos, el grafeno con baja dimensión y la penetración en condiciones de baja densidad puede formar una red conductora se considera que las características del óxido de indio y estaño de materiales alternativos, preparación de grafeno a las ventajas de un proceso simple, bajo costo allanando el camino para su comercialización. Equipo de Mullen mediante revestimiento por inmersión depositado por reducción de recocido térmico de grafeno, resistencia de película delgada de 900 Ω, la transmisión de luz fue del 70%, la película se convirtió en células solares sensibilizadas con colorante positivas, la eficiencia de conversión de energía de la célula solar es de 0.26% .En 2009 , el equipo utilizó gas reductor de acetileno y fuente de carbono, utilizando el método de reducción de alta temperatura para la preparación de la alta conductividad (1425 s / cm) del grafeno, como reemplazo de vidrio conductor para materiales de grafeno.

2.2, sensores,

La tecnología de biosensores electroquímicos es una combinación de tecnología de la información y biotecnología, que involucra temas transversales como la química, la biología, la física y la electrónica. A partir del grafeno, los investigadores encontraron que el grafeno proporciona un entorno de transmisión electrónica bidimensional y la rápida transferencia de electrones heterogéneos en la parte del borde, lo que lo convierte en el material ideal de los biosensores electroquímicos. Chen, adopta el método de recocido térmico a baja temperatura, como materiales de electrodos, preparación de grafeno como sensor para detectar NO2 de baja concentración a temperatura ambiente, el autor piensa que si se mejora la calidad del grafeno, se mejorará la sensibilidad de los sensores para el gas. detección. El grafeno en el sensor mostró el potencial de ser diferente a otros materiales, lo que lo hace cada vez más atención médica, el grafeno también se utiliza para la detección de dopamina en medicamentos, glucosa, etc.

2,3, supercondensador

El supercondensador es un sistema de almacenamiento y transmisión de energía altamente eficiente, tiene una gran densidad de potencia, gran capacidad, larga vida útil, ventajas económicas como la protección del medio ambiente, se usa ampliamente en varios lugares de suministro de energía. El grafeno tiene una alta superficie específica y una alta conductividad, a diferencia de los materiales de electrodo de carbono poroso que dependen de la distribución de los orificios, lo que lo convierte en el material de electrodo más prometedor. Chen y col. Preparación de los materiales de los electrodos para el supercondensador de grafeno con una densidad de potencia de 10 kw / kg, la densidad de energía de 28,5 Wh / kg, la capacitancia específica máxima es de 205 f / gy después de una prueba de recarga de 1200 ciclos aún retienen el 90% de la capacitancia específica , tienen un ciclo de vida más largo. El grafeno en potencial de supercondensador debería recibir más atención de los investigadores.

2.4, materiales compuestos

El grafeno físico, químico y mecánico único puede ofrecer la fuerza motriz para el desarrollo de materiales compuestos, se espera que abra muchos campos de aplicación nuevos, como un nuevo tipo de materiales poliméricos conductores, materiales compuestos poliméricos multifuncionales y alta resistencia de poros. materiales cerámicos. Ventilador que utiliza grafeno, como un área de superficie específica alta y alta movilidad de electrones, la preparación de materiales compuestos de grafeno de polianilina soportados por grafeno, el compuesto tiene una capacitancia específica alta (1046 f / g) es mayor que la de la polianilina pura que la capacitancia 115 f /gramo. La adición de grafeno mejoró la versatilidad de los materiales compuestos y el rendimiento del procesamiento de materiales compuestos y así sucesivamente, ya que la aplicación de material compuesto proporciona un amplio campo.

3, conclusión

Heald por encima de lo conocido, el grafeno como un nuevo tipo de material de carbono bidimensional, tiene un excelente transporte de electrones, acoplamiento óptico, propiedades electromagnéticas, térmicas y mecánicas, por lo que en dispositivos electrónicos a nanoescala, materiales de visualización de cristal líquido de alto rendimiento, células solares, sensores de gas , materiales de emisión de campo y almacenamiento de energía, y otros campos tienen una amplia aplicación y, por lo tanto, se convierten en un punto de acceso de investigación en el país y en el extranjero. La preparación masiva a bajo costo de materiales de grafeno es de gran importancia para la investigación y aplicación del grafeno.

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