介紹

石墨烯（Graphene，Go），指的是單層石墨，由sp2軌道碳原子雜化形成強共價鍵排列在六角形晶格中的蜂窩狀晶體，六角形幾何結(jié)構(gòu)使石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。每個層間碳原子通過sp2雜化與周圍的碳原子結(jié)合，并貢獻一個非成鍵電子形成一個大的π鍵，使電子可以在層間自由移動。位于2s，2px，2py三個軌道的電子會在不同的原子間形成具有三個夾角為120°的共價鍵σ，從而構(gòu)成平面三角形的結(jié)構(gòu)，且鍵長為1.42 ?。石墨烯的邊緣可以被描述為扶手椅（armchair）或鋸齒狀（zigzag），兩種邊緣類型導(dǎo)致不同的電子和磁性能。

石墨烯

能帶結(jié)構(gòu)

石墨烯來源于 A，B 兩個子晶格，每一個晶格中都包含等價的碳原子位點，導(dǎo)致特殊的電子躍遷。對于單層石墨烯，根據(jù)緊束縛模型結(jié)果得到的電子能帶結(jié)構(gòu)，Go的價帶和導(dǎo)帶在其布里淵區(qū)的狄拉克點 K 和 K'處接觸形成錐形谷。在狄拉克點附近，載流子具有線性色散關(guān)系?? = ???????，因此可稱為無質(zhì)量狄拉克費米子。Go中電子的速度為~ 106 m/s，約為光速的 1/300。雙層石墨烯也是一種零帶隙半導(dǎo)體，但其電子色散在狄拉克點附近不是線性的。對于超過三層的石墨烯，能帶結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，價帶和導(dǎo)帶開始重疊[1]。

應(yīng)用

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種未來革命性的材料。和Go有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。Go具有許多特別適合傳感器應(yīng)用的特性，包括其可調(diào)的二維組裝結(jié)構(gòu)、較高的靈活性、較輕的重量、優(yōu)異的機電性能、極高的輸運性能和顯著的光電特性。

制備

目前，石墨烯的制備方法有機械剝離法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法、氧化還原法、直接液相剝離法和切割碳納米管法等。其中機械剝離法、CVD法、氧化還原法和碳化硅外延生長法最為常用。氧化還原法是最容易實現(xiàn)大規(guī)模石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的方法，其是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化。該方法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，又須使用大量的水進行清洗，帶來較大的環(huán)境污染，不易回收。采用氫氟酸代替濃硫酸，酸性廢液易回收。

具體步驟：將800g六氟硅酸鉀固體粉末和200g六氟錳酸鉀氟化鹽固體粉末混合均勻溶解于45000 mL氟化氫溶液(所述氟化氫?吡啶溶液中，HF的質(zhì)量份數(shù)為70％)中，經(jīng)攪拌得到混合溶液；將混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，在25℃溫度下保持72h，得到剝離液；將100g鱗片石墨加入至所述剝離液中，在水熱反應(yīng)釜中保持溫度25℃，攪拌72h，然后冷卻至5℃；在冷卻至5℃的溶液中加入適量NMP，防止團聚，用于回收氟化鹽溶液并保護Go；將所得溶液進行離心5min，以分離石墨烯；將離心后的石墨烯用適量的溶劑(如純水或乙醇)進行洗滌，(先用純水洗兩次，再用乙醇洗一次)通?？梢灾貜?fù)幾次，以確保去除殘留的雜質(zhì)。每次洗滌后再次進行離心分離，直到洗滌液澄清為止。使用超聲分散設(shè)備對洗滌后的石墨烯分散液進行超聲分散，得到均勻的Go分散液；將Go分散液轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。在溫度100℃下，干燥24h，得到Go粉體，即所述石墨烯[2]。

參考文獻

[1]張盟.石墨烯的制備及其應(yīng)變傳感性能研究[D].天津理工大學(xué),2023.

[2]張凌睿,張家松.一種石墨烯的制備方法[P].湖南省:CN202410939835.7,2024-09-24.