中科院金屬所: 石墨烯控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性研究系列進(jìn)展
石墨烯（graphene）是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是構(gòu)建其它維度碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，可望在高性能納電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，石墨烯蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，為量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了理想的平臺(tái)，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。因此，石墨烯迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)。
最近，中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部成會(huì)明、任文才帶領(lǐng)研究生在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性的研究方面取得了一系列新的進(jìn)展，主要包括：
（一） 可控制備出高質(zhì)量石墨烯。根據(jù)層數(shù)不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，因此實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)的可控制備十分關(guān)鍵。與微機(jī)械剝離和外延生長(zhǎng)方法相比，化學(xué)剝離是一種有望實(shí)現(xiàn)石墨烯低成本宏量制備的有效方法，但所制備的石墨烯大多為單層、雙層和多層石墨烯的混合物。基于對(duì)化學(xué)剝離方法制備石墨烯過程的分析，他們提出了利用石墨原料的尺寸與結(jié)晶度不同來控制石墨烯層數(shù)的策略，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優(yōu)的高質(zhì)量石墨烯（圖1，Carbon（47 ( 2009) 493），被審稿人認(rèn)為是“石墨烯研究和應(yīng)用的重大進(jìn)展”。為了進(jìn)一步提高化學(xué)剝離方法制備的石墨烯的質(zhì)量，他們根據(jù)氫電弧放電反應(yīng)溫度高、可實(shí)現(xiàn)快速加熱及原位還原的特點(diǎn)，采用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團(tuán)和愈合結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提高了石墨烯的質(zhì)量。較普通快速加熱方法，采用氫電弧方法制備的石墨烯的抗氧化溫度提高了近100°C，導(dǎo)電率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)2*103S/cm（《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)－納米》（ACS Nano 3 (2009) 411-417））。
圖1 石墨烯的層數(shù)可控制備
（二） 提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法。石墨烯表征方法的建立是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有效表征、控制制備及應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。他們?cè)诜瓷渎视?jì)算的基礎(chǔ)上，引入色度學(xué)空間概念，提出了快速、準(zhǔn)確、無損表征石墨烯層數(shù)的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯可見的原因，并利用該方法對(duì)基底和光源進(jìn)行了優(yōu)化，提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了更利于石墨烯光學(xué)表征的基底和光源，提高了光學(xué)表征的精度，為石墨烯層數(shù)的快速準(zhǔn)確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎(chǔ)（圖2，ACS Nano 2 (2008) 1625-1633）。論文發(fā)表后被《ACS Nano》雜志選為該期“亮點(diǎn)”進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；同時(shí)也被《Nature China》選為來自中國(guó)大陸和香港的突出科研成果，Vicki Cleave博士撰文寫道：“來自中國(guó)科學(xué)院的任文才、成會(huì)明及其合作者提出了一種快速、無損、可進(jìn)行大面積石墨烯表征的光學(xué)方法，該工作有助于確定和制備適于應(yīng)用的理想石墨烯樣品”。此外，針對(duì)目前石墨烯拉曼光譜信號(hào)弱、難以對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的難題，他們還發(fā)明了一種增強(qiáng)的拉曼散射技術(shù)，不僅可提高石墨烯拉曼光譜的信號(hào)強(qiáng)度，而且可獲得普通拉曼光譜不能得到的石墨烯的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。
圖2 石墨烯的總色差表征方法
（三） 開展了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，他們開展了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射體、超級(jí)電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。由于具有單原子厚度、優(yōu)異的電學(xué)與力學(xué)特性以及豐富的邊界結(jié)構(gòu)等特征，故石墨烯是一種理想的場(chǎng)發(fā)射材料，但石墨烯宏量制備和組裝技術(shù)的缺乏制約了其在場(chǎng)發(fā)射方面的應(yīng)用。為了充分發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，他們發(fā)展了電泳沉積方法制備出表面均勻致密且含有豐富邊界突起的單層石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)了薄膜與基體間的良好接觸。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場(chǎng)發(fā)射特性：低的開啟電場(chǎng)和閾值、良好的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應(yīng)用前景（圖3，Advanced Materials 21 (2009): DOI: 10.1002/adma.200802560, online）。審稿人認(rèn)為“作者實(shí)驗(yàn)證實(shí)了石墨烯單原子厚度的邊界可有效增強(qiáng)電場(chǎng)、降低場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)，是一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。他們還結(jié)合石墨烯紙易于制備且具有良好力學(xué)性能的特點(diǎn)，正全力拓展其應(yīng)用空間。
圖3 單層石墨烯薄膜的場(chǎng)發(fā)射性能
這些工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助。
（《先進(jìn)材料》（Advanced Materials ），doi: 10.1002/adma.200802560，Zhong-Shuai Wu，Hui-Ming Cheng
