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CVD大单晶石墨烯
CVD大单晶石墨烯
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  • 商品品牌:十一维
    商品重量:1克
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商品描述:

商品属性

大单晶石墨烯

 

一、简介:

石墨烯自其在2004年被被发现后,由于其无与伦比的光学、电学及热学等性能受到了科研界和工业界的极大追捧,拥有六方蜂窝晶格结构的sp2杂化碳原子薄膜,完美的晶格结构和π电子云的高效载流子迁移能力具有极大的研究价值和工业化潜力。

大单晶石墨烯不同于单层石墨烯,在一片直径达微米甚至厘米级别的单晶石墨烯中,石墨烯六方晶格结构晶向完全一致,微观层面几乎没有缺陷,质量接近于机械剥离法获得的石墨烯,但在直径上却可以实现厘米级别的连续单晶薄膜,因此可以完美的应用于催化剂、传感器、晶体管、荣柔性屏幕、新能源电池、海水淡化、科研、感光元件等众多领域,且材料所表现出来的性能要显著优于满单层石墨烯。

利用CVD法在指定铜箔上制备超高质量肉眼可见大单晶石墨烯,该方法是科研界目前化学制备石墨烯的最优方法。本公司利用低压CVD技术(LPCVD),在0.9Pa真空度的高纯气氛环境下生长出高质量大单晶石墨烯,我们提供的大单晶墨烯只存在于铜箔的一侧,呈六边形,另一侧为满单层石墨烯薄膜。并且本公司提供石墨烯薄膜转移服务,采用湿法转移法及内部新研发的静电膜转移法,基本达到可将石墨烯薄膜转移至任意光滑的衬底的技术水平,专业的转移手法,保证转移后石墨烯的高质量。

 

二、方法

1)样品基底预处理;

2)化学气相沉积(CVD)系统制备;

3)湿法转移。

 

三、参数:

大单晶尺寸0.5-2mm

尺寸1cm*1cm、2cm*2cm、定制尺寸。

基底:铜基、二氧化硅基、蓝宝石基、定制基底。

除此以外,我们还提供专业定制服务,如有任何特殊科研或工业需求,请发送邮件至sale@11-d.cn联系我们或直接登录我们的官方商城www.11d-shop.com。

 

四、材料性质

材料结构:

石墨烯结构示意图

石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键,并有如下的特点:碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子,近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键,新形成的π键呈半填满状态。研究证实,石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米,键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外,每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似),因而具有优良的导电和光学性能。 [2]

常见制备方法: 机械剥离法、 氧化还原法 、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学 气相沉积法 (CVD)。

片材电阻(Ω/sq): <600

可定制订单(Ω/sq): <300

透光率: > 97 %(单层)

载流子迁移率: 15000 cm2/(V·s) (室温)

导热系数: 5300W/mK (单层)

理论杨氏模量: 1.0 TPa

故有拉伸强度: 1300 GPa

独有特性: 在室温条件下就观察到了石墨烯的量子霍尔效应。[3] 石墨烯是一种零距离半导体,因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下,传统半导体的主要点通常为Γ,动量为零。 [4]

溶解性: 在非极性溶剂中表现出良好的溶解性 [4],具有超疏水性和超亲油性。 [5, 6]

熔点: 科学家在2015年的研究中表示约4125K [7] ,有其他研究表明熔点可能在5000K左右。 [8]

其他性质: 可以吸附和脱附各种原子和分子。[9]

 

五、储存:

大单晶石墨烯的保存应置于干燥箱内真空保存,可保证石墨烯在长时间内无降解现象。由于铜表面的石墨烯是大单晶石墨烯,因此未被覆盖石墨烯的铜会在空气中缓慢氧化,但这一现象并不会影响石墨烯的质量。

 

六、特征

 

1)肉眼观察图:

铜基石墨烯大单晶肉眼图

 

2)显微镜光学表征图像:

铜基大单晶光学表征图

石墨烯大单晶的肉眼图可以让我们更为直观的观测到其单晶的尺寸。光学表征为单晶石墨烯重要的表征手段,有利于我们直观的观测到石墨烯单晶的晶界边缘形貌,从而可以直观的判断出石墨烯的质量。质量优良的石墨烯单晶具有非常明显的单晶边界,单图案对称性优良,形状六边形化明显。图为本公司产品的光学表征图,从图中可以看出单晶石墨烯具有明显的单晶边界及高度的六边形化形貌,体现出优越的光学形貌。

 

3)扫描电镜图

 

铜基大单晶扫描电镜表征图

扫描电子显微镜可为石墨烯的形貌观测提供更高的分辨率,在高放大倍数的扫描电子显微镜视野下,石墨烯单晶的形貌及石墨烯的缺陷将会被清洗的展现在视野中,途中可以明显观察到石墨烯单晶具有好的六边形及单个Domain平整铺满,缺陷不可见,可以证明高质量大单晶石墨烯的制备成功。

 

4Raman光谱:

 

铜衬底大单晶Raman光谱

硅衬底大单晶Raman光谱

拉曼光谱表征图是石墨烯众多表征手段中最为关键的一步,它可以极大程度的体现石墨烯的各种性质。其中石墨烯三个重要的拉曼峰,D峰泛指缺陷峰,较低的峰强度反应了石墨烯质量的完美;G峰为sp2杂化碳原子峰,可以证明六方晶格结构碳原子的存在,2D峰包含了石墨烯层数的信息,该峰尖锐且强度为G峰2倍以上,是高质量单晶石墨烯的明显标志。

图为本公司亚单层石墨烯拉曼光谱,可以观察到D峰几乎被铜衬底的干扰峰所掩盖,因此证明了材料的无缺陷性,G峰尖锐,峰强度明显,证明石墨烯晶格的高质量存在,2D峰尖锐且强度大于G峰的2倍以上,充分证明了高质量大单晶石墨烯的存在。

 

、应用领域:

1、催化剂:石墨烯由于超高的载流子迁移率,非常适用于需要电子转移的相关应用中。

2、传感器: 石墨烯可以做成化学传感器,这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。[10]石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。 [11]石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。 [12]

3、晶体管: 石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。 [13]

4、柔性显示屏: 消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在耳后。 [13]

5、新能源电池:新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国 麻省理工学院 已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。 [13]

6、海水淡化: 石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9纳米宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,能高效过滤海水中的盐份。

7、储氢材料:石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点,使之成为储氢材料的最佳候选者。 [12]

8、航天航空: 由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年,美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。 [14]

9、科学研究: 石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,可以在小型实验室内用石墨烯进行。

零能隙的半导体主要是单层石墨烯,这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的,说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外,石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化,其不但对载流子的浓度进行改变,同时可以掺杂不同的石墨烯。

10、感光元件: 以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过特殊结构,让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍,而且损耗的能源也仅需原本10%。可应用在监视器与卫星成像领域中,可以应用于照相机、智能手机等。 [16]

11、复合材料:基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入, 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。 [13]石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料,增强了复合材料的许多特殊性能。 [12]

12、生物学:石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化 [16],同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极,而不会改变或破坏性能,如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性,石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。 [17]石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效,而且不会伤害到人体细胞。 [12]

 

参考文献:

[1] Qingkai Yu et al., Control and characterization of individual grains and grain boundaries in graphene grown by chemical vapour deposition, NATURE MATERIALS. VOL 10 JUNE 2011, 443-449.

[2] Zheng Yan et al., Toward the Synthesis of Wafer-Scale Single-Crystal Graphene on Copper Foils, ACS nano, 2012, 9110–9117.

[3] 匡达&胡文彬.石墨烯复合材料的研究进展[J].无机材料学报,2013(3)

[4] 李永玺等.石墨烯化学及潜在应用[J].上海第二工业大学学报,2010,27(4):259-271.

[5] 秦晓娟.改性石墨烯的制备及其超疏水性能研究[D].甘肃:兰州理工大学,2013.

[6] 胡阮冰.超疏水亲油复合材料的制备及其性能研究[D].浙江:浙江理工大学,2013.

[7] Los J.H.etc.Melting temperature of graphene[J].Phys.Rev.B.,2015(4):91.

[8] Williams,D.R..Sun Fact Sheet[D].NASA.2014(5).

[9] 付尧.石墨烯薄膜制备、场效应晶体管构建及其性能研究[D].四川:电子科技大学,2012.

[10] 张亮.石墨烯/氧化石墨烯结构及电子特性的同步辐射研究[D].北京:中国科学技术大学,2013.

[11] Meyer,J.C.etc.Imaging and Dynamics of Light Atoms and Molecules on Graphene[J]. Nature.2008(454):319.

[12] 龙威,黄荣华.石墨烯的化学奥秘及研究进展[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2012(22).

[13] 曹宇臣&郭鸣明.石墨烯材料及其应用[J].石油化工,2016,45(10):1149-1159

[14] 林勇.新型功能化石墨烯的制备及其在橡胶中的应用[D].广东:华南理工大学,2014

[15] 张有光&王梦醒&赵恒.电子信息类专业导论[M].北京:电子工业出版社,2013:83-85.

[16] Nayak etc.Graphene for Controlled and Accelerated Osteogenic Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells[J].ACS Nano,2011(5):4670–4678.

[17] University of Cambridge.Graphene shown to safely interact with neurons in the brain[EB/OL].https://www.cam.ac.uk/research/news/graphene-shown-to-safely-interact-with-neurons-in-the-brain.

商品属性
[品级]特级产品

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