石墨烯有哪些不同的剥离方法？为您的应用选择正确的方法

生产石墨烯的主要方法大致分为从石墨中“自上而下”剥离和“自下而上”合成。自上而下的方法包括机械剥离、液相剥离 (LPE) 和氧化石墨烯 (GO) 的化学还原。主要的自下而上方法是化学气相沉积 (CVD)，它在基底上逐个原子地构建石墨烯。

“最佳”的石墨烯生产方法并非凭空存在。最佳选择始终是所需质量、所需数量和特定应用可接受成本之间的权衡。

“自上而下”的方法：从石墨开始

自上而下的方法从块状石墨开始，并将其分离成单层或几层石墨烯薄片。这些技术在概念上很简单，但在可扩展性和最终产品的质量方面差异很大。

这是首次分离石墨烯所使用的原始技术。它涉及使用胶带从一块高度有序的石墨上反复剥离层，直到获得单原子层薄片。

虽然它可以生产出具有卓越电子性能的原始、无缺陷的石墨烯薄片，但该工艺的产率极低。它不适用于工业生产，几乎只用于基础研究。

LPE 是一种更具可扩展性的自上而下方法。石墨粉分散在溶剂中，然后经过超声处理或高剪切混合等高能过程。这些力克服了将石墨层结合在一起的范德华力，导致它们剥离成悬浮在液体中的石墨烯薄片。

该方法非常适用于大规模生产石墨烯分散体，这些分散体用于复合材料、涂料和油墨。然而，所得薄片通常是多层的，并且与其他方法相比，电学质量可能较低。

这是另一种高度可扩展的化学路线。块状石墨首先被强氧化形成氧化石墨，氧化石墨很容易在水中剥离生成氧化石墨烯 (GO)。然后使用化学或热处理“还原”GO，以去除氧官能团，从而得到还原氧化石墨烯 (rGO)。

与 LPE 一样，该工艺非常适合批量生产。然而，严苛的化学氧化和随后的还原过程会在石墨烯晶格中引入结构缺陷，这会显著损害其导电性。

自下而上的方法是在基底上由含碳前体分子构建石墨烯。这可以更好地控制最终薄膜的结构和均匀性。

CVD 是生产高质量、大面积石墨烯薄膜的最主要技术。在该过程中，将含碳气体（如甲烷）引入含有金属催化剂基底（通常是铜或镍）的高温炉中。气体分解，碳原子在金属表面排列成六方石墨烯晶格。

然后可以将所得薄膜转移到目标基底（如硅或塑料）上，这使得 CVD 成为电子产品和透明导电薄膜应用的主要方法。

该方法涉及在真空中将碳化硅晶圆加热到非常高的温度（高于 1,100 °C）。硅原子从表面升华，留下碳原子，然后碳原子在 SiC 基底上重新排列成石墨烯层。

这无需转移步骤即可生产出高质量的石墨烯。然而，SiC 晶圆极高的成本限制了其在专业、高性能电子应用中的使用。

没有单一的石墨烯生产方法在所有方面都优越。选择是基于您的主要目标而进行的深思熟虑的折衷。

石墨烯的质量，通过晶体尺寸、缺陷密度和导电性等因素衡量，差异显著。机械剥离和 SiC 上的外延生长生产出最高质量的材料。CVD 紧随其后，而 LPE 和 rGO 生产的石墨烯具有更多缺陷和较低的电学性能。

对于需要大量（吨）或大面积（平方米）的应用，可扩展性至关重要。LPE 和 rGO 在批量生产粉末和分散体方面最具可扩展性。CVD 在生产大面积薄膜方面最具可扩展性。机械剥离从根本上来说是不可扩展的。

成本往往是决定性因素。SiC 晶圆的高成本使得外延生长对于大多数用途来说过于昂贵。LPE 和 rGO 等批量方法的成本相对较低。CVD 代表了一个中间地带，其成本因电子产品所需的高质量和大面积而合理。

要选择正确的方法，您必须首先确定您的优先事项。

通过将生产方法与您的最终目标对齐，您可以有效地利用石墨烯的独特性能来满足您的特定应用。