グラフェンの調製と応用

優れた結晶構造と電気的性能を備えたカーボンナノ材料の代表的なグラフェン（グラフェン）は、科学者の幅広い注目と大きな関心を集めています。この論文では、一方ではグラフェンの主な調製方法と原理を紹介し、他方ではナノスケール電子デバイスの分野でのグラフェン、および概要を説明するために広く使用されている他の多くの観点から紹介します。グラフェン材料の低コストの大量調製は、グラフェンの研究と応用にとって非常に重要です。

カーボンナノマテリアルは、カーボンナノチューブ（CNTカーボンナノチューブ）やグラフェン（グラフェン）などの新素材の分野で人気のある研究ホットスポットであり、フラーレン（フラーレン）はカーボンナノマテリアルの代表的なものです。それらは強力で独特の光学的、電気的および機械的特性を持っているため、幅広い用途の見通しがあります。 3つの典型的なカーボンナノ材料において、2次元グラフェンは1次元カーボンナノチューブであり、フラーレンの基本単位のゼロ次元（図1）は、非常に優れた結晶構造と電気的性能を備えています。

グラフェン（グラフェン）は2004年以来、Geimやその他の報告であり、英国のマンチェスター大学の教授であり、その独特の性能は科学者の幅広い注目と関心を集めています。単層グラフェンは、わずか0.334 nmの厚さの二次元結晶構造で存在し、炭素材料の他の次元の基本単位であり、ゼロ次元の空腹のフラーレンを形成するために包むことができ、一次元から巻き上げることができますカーボンナノチューブ、3次元を形成するために層の上にグラファイト層。グラフェンは半導体の一種のエネルギーギャップがなく、室温で100倍以上のシリコンキャリア移動度（2 x 105 cm2 / V）を持ち、ミクロングレードの自由経路とより長いコヒーレンス長を備えているため、グラフェンはナノメートル回路。グラフェンは、3000 w /（m、K）の優れた熱伝導率、高強度（110 GPA）、および大きな比表面積（2630 m2 / g）を備えています。これらの優れた性能により、ナノスケールの電子デバイス、ガスセンサー、エネルギー貯蔵、および複合材料でグラフェンが製造されます。材料、および他の分野は明るいアプリケーションの見通しがあります。

1、グラフェンの調製方法

現在、グラフェンの主な製造方法は、機械的方法、酸化グラファイト還元の熱分解、SiCの成長法、化学蒸着法、伸長法などです。

1.1、マイクロメカニカルストリッピング法

2004年、Geimは最初に、方向性熱分解グラファイト（高配向熱分解グラファイト）の解剖と観察から単層グラフェンまでの高い成功など、マイクロメカニカルストリッピング法を採用しました。最大幅の1つである単層グラフェンのGeimチームによる準備は最大10ミクロンです。主な方法は、高配向性熱分解グラファイト（HOPG）表面で酸素プラズマビームを使用して幅20μm〜2 mm、深溝面5ミクロンをエッチングし、焙焼後、フォトライトSiO2 / Si基板で繰り返し抑制します。透明なテープで余分なグラファイトフレーク、アセトンに浸したSiウェーハ上の残留グラファイトフレーク、および超音波洗浄で大量の水とプロパノールを取り除き、10 nm未満の層、薄いスライス層を得た後、厚いラメラのほとんどを除去します主にファンデルワールス力または毛細管力とSiO2に依存し、原子間力顕微鏡に統合されて、最終的に少数の単一原子層の厚いグラフェン層のみが選択されました。この方法では、グラフェン膜のミクロンサイズの幅を得ることができますが、独立させるのは簡単ではありません。グラフェンの単原子層の厚さの断片は、収率が低いため、大規模な生産やアプリケーションには適していません。

次に、マイヤーのマイクロコンピュータストリッピング法、金属ラックのエッチング後に配置された単層グラフェンを含むSiウェーハ、酸腐食を伴うSiウェーハ、金属ステントで支持された差し迫った単層グラフェンの調製の成功、温度観察によるその形態。彼らは、単層グラフェンは平面ではないことを発見しましたが、平面には特定の高さ（5〜10 nm）の折り目があり、折り畳み単層グラフェン表面はグラフェンの2倍を大幅に上回り、グラフェン層の増加に伴い、折り畳み度はさらに大きくなります。より小さい場合、これは、単層グラフェンがその表面エネルギーを2次元から3次元の形態変換に低減するためである可能性があり、したがって、グラフェンの表面での折り畳みが2つの存在の必要条件である可能性があると推測できます。 -次元のグラフェンとその性能の折り目の表面のグラフェンは、さらなる調査が必要です。高品質のグラフェンを用いたマイクロメカニカルストリッピング法を調製することはできますが、低生産率と高コストの欠点は、現在、小規模な実験室での準備としてのみ、工業化と大量生産の要件を満たしていませんでした。

1.2、化学蒸着法

化学蒸着法（化学蒸着法）は、半導体薄膜材料の大量工業調製法として最も広く使用されています。 CVD法とは、気相反応条件で生化学反応により発生する材料を指し、加熱すると固体基板の表面に固体が堆積し、固体材料が処理されます。その製造プロセスは非常に完璧であり、研究者はグラフェンの調製方法になっています。

化学蒸着（CVD）法は、グラフェンを効果的に制御する方法を提供します。CNTの調製とは異なります。CVD法で調製されたグラフェンは、粒状の触媒を必要とせず、平面上にあります（金属膜、金属単結晶など）。結晶など）高温分解性前駆体（メタン、エチレンなど）雰囲気で、グラフェンの独立した断片を得た後、最後に化学エッチング法によって金属ベースを除去するために、基底面グラフェンに高温アニーリング炭素堆積を行います。ベースタイプ、成長温度、グラフェン調整の成長などの前駆体フローパラメータ（成長速度、厚さ、サイズなど）を選択することにより、この方法は、単層または多層グラフェン平方センチメートルの領域を正常に準備しました。レベル、その最大の利点は、グラフェンフィルムのより広い領域で準備できることです。

1.3、およびエピタキシャル成長の方法

この方法は、一般に、単結晶のSiC表面を6時間加熱することにより、Si（0001）原子グラフェンをストリッピングして調製します。最初の6時間-SiC単結晶表面酸化またはH2エッチング前処理、超高真空（1.33 x -8-10 pa）の下で、オージェ電子分光法（Augerelectronspectroscopy）により、1000℃に加熱された表面酸化物を取り除きます。完全に除去された後、サンプルを1250〜1450℃、温度10〜20分に加熱し、スライスの厚さによってグラフェンを調製しました。主にこのステップの温度によって決定されます。このアプローチでは、1〜2炭素を調製します。グラフェンの原子厚層ですが、SiC結晶の表面構造が比較的複雑で、大面積の厚さを得るのが難しいため、グラフェンがあります。単層グラフェンと多層グラフェンの調製などの方法を使用して、それぞれバーガーとその性能を研究します。グラフェンの機械的ストリッピング法と比較して、グラフェンのエピタキシャル成長法は、より高いキャリア移動度などの特徴を示しましたが、量子ホール効果を検出することはできません。

1.4、電気化学的方法

劉は、グラフェンなどの電気化学的酸化グラファイトロッドの方法によって調製されました。それらは両方とも、イオン液体を並列に含む水溶液中の高純度グラファイトロッド、10〜20 vの制御電圧、アノードグラファイトロッド腐食の30分後、イオン液体の陰極還元で形成されたカチオンラジカル、およびグラフェンPI電子ユニオン、グラフェンフィルムのイオン液体機能化を形成し、最後に電解セル内の黒色堆積物を無水エタノールで洗浄し、乾燥2時間で60℃でグラフェンを得ることができます。この方法は、グラフェンのイオン液体機能化の準備にステップできますが、準備グラフェン層の厚さは、単一原子層の厚さよりも大きいです。

1.5、有機合成

グラフェンナノベルトやゼロ欠陥などの有機合成によって調製された明確な構造を持つ銭。彼らは4つの臭素）イミド（テトラブロモ-ペリレンビスイミド）をモノマーとして選択し、ヨウ化第一銅とL-プロリンの化合物は多くの分子の活性化、異なるスケール間のカップリング反応、および）イミドの下で発生する可能性があり、イミドを含むグラフェンナノを実装します効率的な化学合成を行うグループ。それらはまた、2つおよび3つのイミド異性体からの高性能液体分離によって、それらの構造をさらに説明するための理論計算と組み合わされています。

2、グラフェンの応用

グラフェンは、優れた電子輸送、光結合、電磁的、熱的、機械的特性を備えているため、ナノスケールの電子デバイスでは、高性能液晶ディスプレイ材料、太陽エネルギー電池、電界放出材料、ガスセンサー、エネルギー貯蔵など、幅広い分野があります。アプリケーションの範囲。

2.1、透明電極

工業的に商業化されている透明膜材料はインジウムスズ酸化物（ITO）であり、地球上のインジウム元素の含有量が限られているため、価格が高く、特に毒性が非常に大きいため、その用途が制限されています。炭素質材料の新しいスターとして、低寸法で低密度の条件下での浸透が導電性ネットワークを形成できるグラフェンは、代替材料の酸化インジウムスズの特徴であると考えられ、簡単なプロセス、低コストの利点へのグラフェンの調製その商品化への道を開く。グラフェンの熱アニーリング還元によって堆積されたディップコーティングによるMullenチーム、900Ωの薄膜抵抗、光透過率は70％、フィルムは色素増感太陽電池になり、太陽電池のエネルギー変換効率は0.26％です。2009年、チームは、グラフェン材料の導電性ガラス代替品として、グラフェンの高導電率（1425 s / cm）の高温還元法の準備を使用して、アセチレン還元ガスと炭素源を使用しています。

2.2、センサー、

電気化学バイオセンサー技術は、情報技術とバイオテクノロジーの組み合わせであり、化学、生物学、物理学、電子工学などの分野を超えています。グラフェンの登場により、研究者たちは、グラフェンが2次元の電子伝達環境と、エッジ部分での高速な不均一電子移動を提供し、電気化学バイオセンサーの理想的な材料になることを発見しました。チェン、電極材料などの低温熱アニーリングの方法を採用し、室温で低濃度のNO2を検出するセンサーとしてグラフェンを準備し、グラフェンの品質を向上させると、ガスに対するセンサーの感度が向上すると考えています。検出。センサー内のグラフェンは、他の材料とは異なる可能性を示し、ますます医療処置を行っています。グラフェンは、薬やブドウ糖などのドーパミンの検出にも使用されます。

2.3、スーパーキャパシタ

スーパーキャパシタは、エネルギーシステムの高効率の貯蔵および伝送であり、大きな電力密度、大容量、長い耐用年数、環境保護などの経済的利点を備え、さまざまな電源の場所で広く使用されています。グラフェンは比表面積が大きく、導電率が高いのに対し、多孔質炭素電極材料は正孔分布に依存するため、最も有望な電極材料になります。 Chen etal。グラフェンスーパーキャパシタの電力密度10kw / kg、エネルギー密度28.5 Wh / kg、最大比静電容量は205 f / g、1200サイクルの再充電テスト後も比静電容量の90％を保持するための電極材料の準備、サイクル寿命が長くなります。スーパーキャパシタ電位のグラフェンは、研究者の注目を集めるはずです。

2.4、複合材料

グラフェン独自の物理的、化学的、機械的は複合材料開発の原動力となり、新しいタイプの導電性高分子材料、多機能高分子複合材料、高強度の多孔質など、多くの新しい応用分野を切り開くことが期待されています。セラミック材料。高い比表面積や高い電子移動度などのグラフェンを使用したファン、ポリアニリングラフェン複合材料のグラフェン材料で支持された調製物、化合物は高い比静電容量（1046 f / g）を持ち、静電容量115fよりも純粋なポリアニリンよりも大きい/ g。グラフェンの添加により、複合材料の汎用性や複合材料の加工性能などが向上し、複合材料の用途に幅広い分野を提供します。

3、結論

新しいタイプの二次元炭素材料として知られているグラフェンは、優れた電子輸送、光結合、電磁的、熱的、機械的特性を備えているため、ナノスケールの電子デバイス、高性能液晶ディスプレイ材料、太陽電池、ガスセンサー、電界放出材料やエネルギー貯蔵、その他の分野は幅広い用途があり、国内外の研究のホットスポットになっています。グラフェン材料の低コストの大量調製は、グラフェンの研究と応用にとって非常に重要です。

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