石墨烯制备设备的制备方法介绍
石墨烯制备设备行业经过数年的发展,在国内已经逐步成熟,已经具备了一定的市场规模,且随着越来越多的研究机构加入研究石墨烯的行列,石墨烯设备本身的快速更新换代及石墨烯生产企业对石墨烯制备设备需求出现,未来石墨烯制备设备行业空间可能出现成倍的增长,这给石墨烯设备行业内的企业带来巨大的市场机会。
1、石墨烯制备的主要技术及优劣势对比
机械剥离法
机械剥离法是通过机械方式,例如胶带,从高定向石墨晶体上剥离下单层石墨烯。机械剥离法的基本原理是采用粘接力来克服石墨层间的范德华力相互作用,从而使石墨烯得以分离,从而得到一小片单层石墨烯。该方法简单易行,得到的石墨烯保持着完美的晶体结构,但是其缺点是所制备的石墨烯单层率很低,且不容易量产,从而限制了产品的应用。
氧化还原法
氧化还原法由美国西北大学Ruoff教授课题组基于石墨氧化的Hummers法发展出来的,该方法主要包括“氧化-剥离-还原”3个步骤。首先是石墨在浓硫酸和强氧化剂的共同作用下,得到氧化石墨。氧化石墨和石墨同是层状结构。不同的是氧化石墨中含有羟基、羧基等多种极性官能团。由于这些极性基团的存在,氧化石墨片层之间存在静电排斥作用。因此,氧化石墨在机械外力作用下,如搅拌或者超声波的作用,在水中或其它极性溶剂中可以发生解离,形成单层氧化石墨烯。再通过加热、或者化学还原使所制氧化石墨烯脱去官能团重新石墨化。
相比于其他方法,这种工艺并不复杂,也相对容易实现产业化,成本也较低。但是在氧化还原的过程中,石墨烯的晶体结构容易受到破坏,造成大量的缺陷,且得到的粉体状石墨烯比表面积太大不容易团聚,因此采用该方法制备的石墨烯质量相对较低。
碳化硅外延法
碳化硅外延法是在碳化硅单晶基底上,经过高温热处理,外延生长出单层石墨烯。该方法以单晶碳化硅为基础材料,经除去表面氧化物过程,然后在超高真空、高温(1 200 ~1 450℃ )条件下,热分解蒸发表面的硅(S i)原子,在碳化硅晶面上外延生长出石墨烯片。
该方法制备的石墨烯载流子迁移率高,适用于电学性能要求高的微电子器件,缺点是所制备的石墨烯晶畴较小,难以得到厚度均一的大面积石墨烯。另外,制备环境的严苛导致生产成本偏高,因此该方法难以成为大规模产业化制备石墨烯的理想方法。
化学气相沉积法
化学气相沉积(CVD)法是以碳氢气体为前驱物体,在铜、镍或者铂等金属的表面热裂解、沉积、成核形成单层石墨的物理化学过程。CVD法可以通过改变金属衬底的种类、反应温度、反应时间等工艺参数,实现对于石墨烯厚度和晶畴尺寸的调控。
CVD法制备的石墨烯品质较高,可转移至其他衬底上,在器件制备上具有明显的优势,因而备受关注。CVD法制备石墨烯简单易行,制取的石墨烯品质高,且非常有利于大面积生产,产品直接得到石墨烯薄膜,再加工工艺简单。在石墨烯产品品质及工艺的简易性方面,CVD法相比其他3种方法具有明显的优势,因此CVD法目前已成为石墨烯生长领域的主流技术。
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