石墨烯的来源是什么？从石墨到高性能应用

从最根本的层面来说，石墨烯的来源是石墨。 这种储量丰富的天然矿物由无数层堆叠在一起的石墨烯组成。然而，要获得赋予石墨烯卓越性能的、高质量的单原子厚度薄片，需要复杂的制造工艺，而不仅仅是简单的开采。因此，可用石墨烯的“来源”最好被理解为用于分离或合成它的生产方法。

虽然石墨是原材料，但可用于应用的石墨烯的真正来源是制造过程。在“自上而下”的方法（从石墨中剥离）和“自下而上”的方法（从碳原子合成）之间的选择，决定了材料的质量、规模和最终用途。

天然起源：石墨

石墨是一种常见的矿物，是碳的一种天然晶体形式。其结构由排列成六角晶格的碳原子平面组成。这些单独的平面中的每一个都是一层石墨烯。

在石墨中，这些石墨烯层通过相对较弱的范德华力结合在一起。从这种来源生产石墨烯的核心挑战是克服这些力，以剥离出单层、无缺陷的薄片，同时不引入缺陷或杂质。

自上而下的方法从块状石墨开始，将其分解以分离出石墨烯片层。这些方法通常用于生产石墨烯薄片、粉末和分散体。

这是最初的、获得诺贝尔奖的方法，通常被称为“透明胶带”技术。它涉及使用粘性胶带从一块石墨上剥离层，直到分离出一层单片薄片。

虽然它能产生极高质量、纯净的石墨烯薄片，但这种方法不适合工业化规模生产，主要用于基础研究。

在 LPE 中，石墨粉末悬浮在特制的溶剂中，并经受高能过程，例如超声处理。这种能量会搅动材料，将石墨破碎成薄片，其中可能包括单层或少层石墨烯。

这种方法具有可扩展性，非常适合生产用于油墨、复合材料和涂料的石墨烯分散体。

这是一种高度可扩展的化学过程。将石墨与强氧化剂处理，迫使层间分离并生成氧化石墨。然后将该材料在水中剥离，形成氧化石墨烯（GO），它可以被化学或热还原以生成还原氧化石墨烯（rGO）。

虽然对于批量生产来说成本效益高，但该过程可能会引入结构缺陷，影响最终材料的导电性。

自下而上的方法从含碳前体开始，逐个原子地构建石墨烯。这是制造用于电子产品的大面积、连续的高质量石墨烯薄片的主要方式。

CVD 是生产高质量、大面积石墨烯薄膜的主流方法。该过程涉及在真空室中加热催化金属基底（通常是铜箔），并引入含碳气体，如甲烷。

高温分解气体，碳原子沉积在铜箔表面，自发组装成连续的单层石墨烯薄膜。

CVD 的一个关键挑战是确保产品是完美的单层。可能会形成小的双层或三层石墨烯斑块，从而破坏材料均匀的电子性能。

需要先进的纯化技术来解决这个问题。例如，某些工艺使用吸碳钨（W）箔选择性地去除这些较厚的斑块，从而在铜基底上留下纯净的单层石墨烯薄膜。

机械剥离法生产的石墨烯质量最高，但产量极少。相反，像 GO 还原这样的化学方法可以生产数吨材料，但缺陷较多。CVD 在大面积上提供了高质量，但成本较高，实现了质量与数量之间的平衡。

来源决定了形态。自上而下的方法通常产生薄片和粉末（纳米片），非常适合混合到其他材料中。自下而上的 CVD 产生连续薄膜，这对于电子产品、传感器和透明导电薄膜等应用至关重要。

选择正确的石墨烯类型需要了解其来源和生产方法如何与您的需求保持一致。

最终，您的石墨烯来源由最符合您的应用对质量、规模和成本要求的制造过程来定义。