石墨烯量子点/石墨烯纳米带的制备及表征(2)

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4 结论 23

致谢 24

参考文献 25

1 前言

最近，石墨烯由于其独特的电子，光学，机械和热性能受到研究者的广泛关注。各种各样的基于石墨烯的生物传感器已被开发，用于检测核酸，蛋白质，毒素和一些简单的小分子。据报道，石墨烯片，其中包括它们的大小，形状和厚度，对它们的性质有重要的影响。例如，对于横向尺寸小于一百纳米，通常称为石墨烯量子点（GQDs）的石墨烯片[1-4]。

石墨烯具有比表面积大、极好的机械柔韧性、载流子迁移率高、热化学稳定性良好和环保特性良好等独特性能[5]，在目前已知的所有材料中，石墨烯具有最为知名的导电性能，研究者们为了探究它不同的性质，在石墨烯不同形态的衍生物、石墨烯的掺杂改性、等方面进行了大量研究，并取得了一定的成就。而学者认为在未来的电子纳米器件中，石墨烯基纳米结构是最有希望替代硅基纳米结构。人们已经尝试许多方法，例如将石墨烯基材料用于室温场效应管、用于制作电极的材料、在有机太阳能电池中作为受体材料和阳极材料、复合功能材料、非线性光学材料、场发射材料、自旋电子及单电子器件、储能与超灵敏传感器以及药物载体等方面，展示了其广阔的应用前景。

1.1 石墨烯的结构特点

石墨烯的结构比较简单，是一种由碳原子以sp2杂化轨道构成的平面薄膜，它的形状是呈蜂巢晶格的无数个六角形拼接而成[6]。石墨烯是世上最薄纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，它是只有一个碳原子厚度的二维材料，也是单层片状结构的新型材料[7]。但它却也是最坚硬的纳米材料，也正是因为石墨烯的这种特殊的结构，研究者们一直认为石墨烯是一种假设的结构，无法单独稳定的存在。石墨烯的的导热系数非常高，能达到5300 W/m·K，比金刚石还要高，常温下石墨烯的电子迁移率超过纳米碳管或硅晶体[8]。但它的电阻率很低，甚至比铜或银更低，只约为10-6 Ω·cm，石墨烯被认为是世界上电阻率最小的材料[7]。

石墨烯具有的碳碳键的键能仅为1.42Å，使得石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当在石墨烯上施加外力的时候，它内部的碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必因施加外力而重新排列，所以石墨烯的结构非常稳定[9]。

石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯的基本单元，完美的石墨烯通常是六边形的，许多个六边形排列成蜂窝状。但也存在着石墨烯的缺陷，这种石墨烯是由五边形和七边形构成。例如：富勒烯是由十二个五边形的石墨烯共同构成。石墨烯是一种二维晶体，我们通常情况下所见到的石墨是由一层层的碳原子成蜂窝状堆积而形成的，由于石墨的这种层与层之间的作用力非常弱[10]，很容易剥离出薄薄的石墨片，再把这些石墨片剥离成单层之后，它的厚度大约为一个碳原子，这个单层结构就是石墨烯。

1.2 石墨烯的制备方法

1.2.1物理法制备石墨烯

物理法制备石墨烯主要分为取向附生法、机械剥离法、液相或气相直接剥离法[11]，通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，经过一步或者多步合成石墨烯。在制备石墨烯的方法中，物理法所使用的原料易得，合成的石墨烯的纯度高，缺陷较少，操作方法也相对的简单。

（1）取向附生法——晶膜生长

这种方法是使用稀有金属作为生长基质，利用基质的原子结构获得石墨烯[12]，首先在高温（约1200℃）下让C原子渗入稀有金属中，然后降温至850℃，被吸收的碳原子在这个过程中就浮到表面，在基质的表面形成单层碳原子的“孤岛”，这个“孤岛”会渐渐长大，形成一层完整的石墨烯，在这层石墨烯生长到一定程度时，就会有一层新的石墨烯开始生长，当第二层石墨烯形成之后，第一层与基质几乎完全分离，这样就能制得单层的石墨烯。但是使用这种方法缺陷非常明显，用这种方法生产出的石墨烯的厚度不均匀，并且石墨烯和基质之间存在着粘合，使得制备出的石墨烯不能与基质完全分离[13]。