论文总字数：18142字

摘 要

石墨烯或许是十年来人类研究的最多的一种材料了。因为没有一种材料能像它那样，集中了这么多极端的性质：极高的电子迁移率，极高的电导率，极高的机械强度，良好的透明度，独特的电子能带结构。因此众多领域都对这种新材料寄予了厚望。然而，石墨烯能否得到应用，和其他材料一样，取决于能否开发出一种与现有材料相比成本更低，性能更好的工艺。本文探讨了石墨烯制备的方法以及几种利用自组装制备石墨烯薄膜的方法，并探讨它们可能的应用领域。

关键词：石墨烯，薄膜，自组装

Abstract

Graphene may be the most intensively researched material in this decade. Because there is no other material which combines so many supreme properties such as extremely high electron mobility, high electrical conductivity, high mechanical strength, good transparency, unique electron property etc. So graphene is a promising new material in various fields. However, whether these intriguing prospectives will come true depends on whether we can develop low cost, high yield, good quality manufacture methods to produce graphene. Here we reviewed several produce methods and several methods to make graphene films utilizing self-assembly mechanism, and discuss their probable application.

Keywords: graphene, film, self-assembly

目录

第一章 绪论 3

第二章 石墨烯的制备方法 5

2.1 机械剥离法 6

2.2 化学气相沉积（CVD） 6

2.3 氧化石墨还原法 9

2.4 液相剥离法 10

2.5 其它 11

第三章 石墨烯薄膜的自组装法 13

3.1 气-液界面 13

3.2 液-液界面 13

3.3 固-液界面 16

3.4 影响自组装膜性能的因素 17

第四章 自组装石墨烯膜的应用 19

4.1 透明导电薄膜 19

4.2 新能源技术 22

4.3 光电子技术 22

4.4 生物传感器（bio sensor） 23

第五章 总结 25

致谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

石墨烯的发现虽然只有短短10年，但这10年内关于石墨烯的论文数量的增长或许是绝无仅有的。石墨烯是人类制备的第一种二维纳米材料，许多性能指标远远超过了常规的三维纳米材料：极高的电子迁移率（2.5×10⁵ cm²V⁻¹s⁻¹）^[1]，比银还低的电阻率（1×10^-8 Ω·m），高达1 TPa的杨氏模量^[2]，很高的热导率（超过3000 W/mK），良好的透明度（1-πα≈97.7%，α是精细结构常数）^[3]，完全不透过任何气体^[4]，能承受极高的电流密度^[5]。这使得石墨烯在很多领域都表现出诱人的前景，如微电子器件，透明导电薄膜，新能源，催化反应，复合材料等等。

然而，尽管石墨烯有这么多优异的特性，石墨烯能不能真正颠覆现有的产业还有待证明。这取决于两个方面，一是能不能找到有价值的应用，这需要开发出现有的器件的石墨烯替代品，甚至是开发出全新的应用；二是能不能开发出在质量和成本上能满足生产要求的石墨烯生产工艺。

尽管石墨烯很多性质常规材料无法相提并论，但这些性质都是理想情况下的。实际应用中，石墨烯的性能受生产工艺的影响很大，实际制备出来的石墨烯性能远远低于理想的石墨烯，或者成本很高。因此限制石墨烯应用的主要是生产工艺，而不是原料储量。开发出一种质量，成本上都具有绝对优势的工艺对石墨烯产业无疑是有巨大的促进作用的。然而，这在目前只能是一种理想情况。考虑到石墨烯制备的困难，我们更关注能不能开发出质量，成本正好满足应用领域的需求。因为有些领域其实不需要质量很完美的石墨烯，完美的石墨烯反而成本太高。像光电子领域只要少量的石墨烯就能带来巨大的改变，因此需要的石墨烯自然是质量越高越好。而能源领域需要的石墨烯数量较大，而且对能耗十分敏感，因此对石墨烯更看重成本。所以我们在评价各种生产工艺时不能脱离具体的应用。

从2004年石墨烯第一次通过机械剥离法制出，关于石墨烯制备工艺的论文就飞速增长，人们已经开发出了多种石墨烯的制备工艺。不同的工艺各有优缺点。机械剥离制得的石墨烯质量最好，可以观察到零质量载流子，分数量子霍尔效应这些理想的石墨烯特有的性质，然而机械剥离法的产量极低，因此只适用于科学研究。化学气相沉积是工业常用的制取薄膜的技术，可以制取出大面积单层的石墨烯，但化学气相沉积需要高温处理，衬底转移比较困难，这使得它的成本很高，而且化学气相沉积制得的石墨烯的质量与理想的石墨烯有较大差距。然而化学气相沉积可以实现大规模生产，而且其质量可以进一步改进。氧化石墨还原法以及液相剥离法可以大量的制取石墨烯。其中氧化石墨烯的产量尤为巨大，以千克来计算。此外，氧化石墨还原法还有很多优点，可以在水溶液中制备，无需有机溶剂；易剥离，不易凝集；石墨烯表面有丰富的官能团用于修饰。然而氧化石墨烯的质量也是所有工艺中最差的，氧化还原过程会留下很多缺陷，这对于某些应用是难以接受的，因此氧化石墨还原法在质量上有较大的改进空间。液相剥离是直接剥离原生的石墨，可以制备出几乎无缺陷的石墨烯溶液，而且产量也不低。但这种方法需要使用有机溶剂，如果去除不干净可能会影响产品性能。此外还有SiC外延法，碳纳米管切割法。

液相剥离和氧化石墨还原法都是产量很高的工艺。而且随着工艺的不断改进，它们的质量也在提高，因此是很有潜力的技术，在很多领域，如电子产品，新能源，催化剂，生物医药方面都有广阔的前景。尤其是像新能源这些领域可能是唯一能提供材料的技术。然而这两种工艺制备的都是石墨烯（或氧化石墨烯）微片的胶体溶液，除了某些特殊的场合，大部分情况都要进一步加工成薄膜或气凝胶等各种结构才能使用。因此开发出一种合适的加工工艺，对这两种技术无疑是意义重大的。

自组装很早就被用于纳米制造。与微纳加工技术不同，自组装是一种bottom-up的技术，它是利用微粒间的相互作用使其自发形成有序的结构。因此自组装是一种低成本，高效率的生产技术，有望用于石墨烯的生产工艺当中。

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