综述石墨烯的制备与应用 - 图文(3)

的石墨烯片。另外，Wang等通过层层组装的方法将GO组装到玻碳电极表面，通过 循环伏安法进行还原，制备了石墨烯修饰的电极并应用于电化学传感。

图8 GO的伏安扫描曲线

7、有机合成法

Qian等运用有机合成法制备了具有确定结构而且无缺陷的石墨烯纳米带。他们选用四溴酰亚胺(tetrabromo-perylene bisimides)作为单体，该化合物在碘化亚铜和L-脯氨酸的活化下可以发生多分子间的偶联反应，得到了不同尺度的并酰亚胺， 实现了含酰亚胺基团的石墨烯纳米带的高效化学合成；他们还通过高效液相分离出了两种三并酰亚胺异构体（图9）,并结合理论计算进一步阐明了它们的结构。

图9 合成三并苝酰亚胺的示意图

2008年Muellen小组利用有机合成方法得到了石墨烯类化合物，其厚度为12nm。尽管这种材料的电学性质还没有测定，但是，它毫无疑问应该具有与石墨烯相似的性质。化学合成法可以制备出连续且性能优异的石墨烯薄膜半导体材料，而且现有的半导体加工技术也可以对石墨烯薄膜材料进行剪裁修饰，使得化学生长法制备出

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的石墨烯材料在微电子领域有着巨大的应用潜力。如果在未来几年内，有机合成方法能够突破制得的石墨烯尺寸较小的这一问题，那将为石墨烯的应用提供广阔的前景。图10给出了化学合成石墨烯的一个例子。

图10 石磨烯的化学合成路径示意图

三、石墨烯的应用

作为一种独特结构的二维晶体，石墨烯有着非常优异的性能：具有超大的比表面积，理论值为2630m2/g；机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；热导率高达5300W·m-1·K-1，是铜热导率的10多倍；结构体几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收率；并且在电和磁性能方面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高的电子迁移率。这些优异的性质，使得石墨烯在电子器件、化学材料、能源存储、传感器、医药生物等领域有着良好的应用前景。

1、石墨烯在电子器件领域的应用

1.1 石墨烯场效应晶体管

作为一种零带隙的半导体，石墨烯不能直接用在场效应晶体管上。当石墨烯的宽度变窄（小于10nm），石墨烯就变成一种准一维材料，这种材料也称作石墨烯纳

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米带；由于宽度局域效应，石墨烯纳米带在室温条件下产生带隙，其制备的场效应晶体管有着非常优异的开关速度和载流子迁移率。在刚发现石墨烯时，Novoselov等用宽度小于10nm 的石墨烯制备了场效应晶体管，发现石墨烯显示双极性电场效应，在室温下电子和空穴密度均为5×1012cm-2， 载流子迁移率达到10000cm2·V-1·s-1，平均自由程达到0.4μm。石墨烯的载流子迁移率是硅的10倍，高的载流子迁移率使得石墨烯晶体管的频率非常高。

美国IBM开发出了截止频率100GHz的石墨烯FET（场效应晶体管），其截止频率比采用Si技术且栅极长度相同的MOSFET的最大值还要大2.5倍左右。其图像及结构示意图如图11所示。

图11 石墨烯晶体管图像及结构示意图

让石墨烯产生带隙是晶体管应用的基础，人们发现通过外加电场、施加应力或者进行元素掺杂，都可以调节石墨烯的带隙，这些研究将促进石墨烯在晶体管上的应用。众所周知，制备的晶体管越小，集成电路中的集成度就越高，设备的性能将越好。现在制备晶体管的常用材料是硅，但是由于隧道效应，用硅制备的晶体管栅极小于5nm时，晶体管将失效。石墨烯不存在这样的问题，随着石墨烯制备工艺的提升，石墨烯作为硅材料替代者的前景，越来越被看好。

1.2 石墨烯基计算机芯片

马里兰大学物理学家的研究表明引，未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率，并且从理论上说，它的电子迁移率和空

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穴迁移率两者相等。因此，其N型场效应晶体管和P型场效应晶体管是对称的。因为其还具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级，所以它是一种性能非常优异的半导体材料。专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的，很难再大幅提高；而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，且石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量，由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多。据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到1T(1012)Hz，即比现在常见的1G(109)的计算机快1000倍。研究者相信，石墨烯以及碳纳米管极有可能加快计算机芯片微型化的脚步，大幅提升运算速度。当“硅时代”走到尽头的时候，取而代之的可能是“碳时代”。

1.3 石墨烯信息存储器件

石墨烯存储器与硅存储器相比，基于有机高分子存储材料制作的存储器具有成本低、易加工、柔软性好、可大面积制作、响应快、功耗低、高密度存储等优点，在信息存储以及高速计算领域有着非常广泛的应用前景，但在响应速度、开关比、读写循环次数、器件维持时间等方面还存在很大差距，离实际应用还有很长的路要走。在该领域里亟待解决的工作主要集中于研究和开发具有更好电学特性及工艺兼容性的有机高分子功能材料和薄膜，进一步推进其器件化。这就要求对有机/高分子分子结构设计与合成技术（在目前状况下，有机分子和高分子材料的可靠性和热、电稳定性不够，样品成品率低；STM针尖与样品之间的极强电场很容易破坏材料的结构而影响其性能。

Zhuang等设计合成了一种高性能的共轭高分子共价接枝的石墨烯信息存储材料TPAPAM-GO（其特性如图12所示），并以此材料作为活性材料制备了国际上第一个基于石墨烯的共轭高分子记忆器件。该材料表现出优异的可擦写电双稳态分子记忆性能，电流开关比超过103，开态和关态在恒定电压下稳定，且在－1v的读出电压脉冲下读出次数超过1亿次。该研究者又制备了聚乙烯咔唑共价接枝的氧化石墨烯高分子材料GO-PVK，在有机溶剂中的溶解度达到10mg/ml，带隙2.0eV。基于该材料的记忆器件同样展现出优良的信息存储性能。

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图12 TPAPAM-GO的电流密度—电压特征和稳定性

2、石墨烯在能源领域的应用

2.1 石墨烯超级电容器

碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)、炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些sp2碳质材料的基元材料是石墨烯。自石墨烯被成功制备出来后，人们开始探究其这种极限结构的sp2碳质材料在超级电容器里应用的可能性。Ruoff小组利用化学改性的石墨烯作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。这种石墨烯材料的电容性能在水系和有机电解液中的比电容分别可以达到135F/g和99F/g(该超级电容模型示意图如图13所示)。Rao等人比较了通过三种方法制备的石墨烯的电容性能。在硫酸电解液中，通过氧化石墨热膨胀法和纳米金刚石转化法得到的石墨烯具有较高的比电容，可以达到117F/g；在有机电解液中，电压为3.5v的时候，其比电容和比能量可以达到71F/g和31.9Wh/kg。

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