化学的方法によるグラフェンの調製の紹介

グラフェンは独特の構造と優れた性能を持っています。近年、化学、物理学、材料に関する幅広い研究関心を集め、グラフェンの調製において大きな進歩を遂げました。本稿では、主に化学的方法によるグラフェンの調製方法について説明します。

現在、グラフェンは主に実験室で化学的方法で調製されています。この方法は、ベンゼン環または他の芳香族系の核として最初に使用されました。ベンゼン環または大きな芳香環上の6つのCは、多段階カップリング反応に置き換えられ、このサイクルが繰り返されました。芳香族系を大きくし、一定の大きさの平面構造を持つグラフェンを得る。これに基づいて、人々は改善を続けており、酸化グラファイト還元法は、グラフェンとその材料の合成のための最も有望で有望な方法になっています。さらに、化学蒸着法や結晶エピタキシャル成長法を使用して、高純度グラフェンを大規模に調製することもできます。

化学蒸着によるグラフェンの調製

化学蒸着の原理は、1つまたは複数のガス状物質を反応チャンバーに導入し、化学的に反応して、基板表面に堆積した新しい材料を形成することです。これは、半導体薄膜材料の大規模な工業化に最も広く使用されている技術の1つです。

Srivastava etal。マイクロ波増強化学蒸着を使用して、Niに囲まれたSi基板上に約20 nmの厚さの花びらを成長させ、グラファイトシートの形態に対するマイクロ波出力の影響を研究しました。従来の調製方法よりも薄いグラファイトシートが得られた。結果は、マイクロ波出力が大きいほど、グラファイトシートは小さくなりますが、密度が高くなることを示しました。この方法で作製した黒鉛シートには、より多くのNi元素が含まれています。

キムらSi基板に厚さ300nm未満のNi層を添加し、メタン、水素、アルゴンの混合物中で1000°Cに加熱し、急速に室温まで下げた。このプロセスでは、Ni層の上部に6〜10層のグラフェンを堆積させることができます。この方法で調製されたグラフェンは、高い導電性、良好な透明性、および高い電子移動度（〜370cm2 /（V・s））を持ち、室温の半整数量子ホール効果を持っています。グラフィックグラフェン膜は、Ni層グラフィックを作成することで作成できます。これらのフィルムは、品質を確保しながら、さまざまなフレキシブル基板に転写できます。この転写は、2つの方法で実現できます。まず、Niを溶媒で腐食させてグラフェン膜を溶液の表面に浮かせ、次にグラフェンを必要な基板に転写します。もう1つは、ゴムスタンプ技術を使用して薄膜を転写することです。

化学蒸着法は、高品質で大面積のグラフェンの大規模な調製の要件を満たすことができますが、その高コスト、複雑なプロセス、および正確な制御条件のため、この段階では、この方法のグラフェン調製の開発は制約されています。さらなる研究。

エピタキシャル成長法によるグラフェンの調製

ClarieBerger etal。この方法を使用して、単層および多層のグラフェンフレークを調製し、それらの特性を研究しました。加熱することにより、単結晶6H-SiCのSi形成（00001）表面からSiを除去することによりグラフェンが得られます。表面の酸化またはH2エッチング後のサンプルは、高真空（UHV;ベース圧力1.32×10-8Pa）であり、表面酸化物を除去するために電子衝撃によって1000°Cに加熱されます（表面質量を改善するために酸化物を繰り返し除去します）。酸化物はオージェ電子分光法によって完全に除去され、1250〜1450°C、温度1〜20分まで加熱されます。 Si表面のグラファイトフレークはゆっくりと成長し、高温に達するとすぐに成長を停止しますが、C表面のグラファイトシートは制限されず、その厚さは5〜100層に達する可能性があります。形成されるグラフェンシートの厚さは、加熱温度によって決まります。この方法では、2種類のグラフェンが得られます。1つはSi層上で成長するグラフェンです。 Si層との接触により、このグラフェンの導電特性は大きく影響を受けます。もう1つはグラフェンで、C層上で成長し、優れた導電性を備えています。どちらもSiC基板の影響を大きく受けます。この方法は過酷な条件（高温、高真空）であり、得られたグラフェンは基板から容易に分離できず、グラフェンの大量生産には使用できません。

酸化グラファイト還元により調製されたグラフェン

グラフェンは、濃硝酸や濃硫酸などの強酸化性混合酸にグラファイトシートを分散させた後、過マンガン酸カリウムや強塩素酸カリウムなどの酸化剤を加えて酸化し、酸化グラファイト（GO）ヒドロゾルを生成する酸化グラファイト還元法で調製します。酸化グラフェンを得るための超音波処理の後、最後に、還元によってグラフェンが得られます。これは、グラフェンを調製するために最も一般的に使用される方法です。

グラファイト自体は疎水性物質です。しかしながら、酸化プロセスは、多数の構造的欠陥の形成をもたらした。これらの欠陥は、1100°Cでアニーリングした後でも完全に除去することはできません。そのため、GOの表面や端にはヒドロキシル基、カルボキシル基、エポキシ基が多数存在し、親水性物質です。これらの官能基が存在するため、GOは他の試薬と容易に反応して修飾酸化グラフェンを取得します。同時に、GO層の間隔（0.7〜1.2 nm）は、元のグラファイト層の間隔（0.335 nm）よりも大きく、他の材料分子のインターカレーションを助長します。 GOを準備するには、一般に、Standenmaier、Brodie、およびHummersの3つの方法があります。調製の基本原理は、最初にグラファイトを強力なプロトン酸で処理してグラファイト中間層化合物を形成し、次に強力な酸化剤を添加してそれを酸化することです。 GO還元法には、化学液相還元、熱還元、プラズマ法還元、水素アーク放電ストリッピング、超境界水還元、光還元、溶媒熱還元、およびマイクロ波還元が含まれます。

初めて、Stankovich等。スケールグラファイトを酸化して水中に分散させた後、ヒドラジン水和物で還元します。還元プロセス中、高分子量のポリスチレンスルホン酸ナトリウム（PSS）を使用して、酸化グラファイト層の表面を吸着およびコーティングし、凝集を回避しました。 PSSとグラフェン間の強い非共有結合（π？πスタッキング力）により、グラフェンシートの凝集が防止され、複合材料は水への溶解度が良好です（1mg / mL）。したがって、ＰＳＳでコーティングされた修飾酸化黒鉛モノリスが調製された。これに基づいて、Stankovich等。低いダイアフィルトレーション値（約0.1体積分率）と優れた電気伝導率（0.1S / m）を有する修飾単層グラフェン/ポリスチレン複合材料を調製しました。

この方法は、環境に優しく、効率的で、低コストであり、大規模に工業化することができます。その欠点は、強力な酸化剤がグラフェンの電子構造と結晶の完全性に深刻な損傷を与え、電子特性に影響を与え、マイクロエレクトロニクスの正確な分野でのその応用をある程度制限することです。

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