石墨烯電加熱膜的厚度對導電性能影響研究

孫嘉豪，李 蕊，尹吉勇，王燕魁

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

石墨烯早在20世紀70年代就建立了相關模型主要有富勒烯和碳納米管模型。該物質是由單層六角原胞碳原子構成二維網絡結構。2004年Geim教授采用膠帶熱解石墨方法制備出石墨烯。由于石墨烯具有獨特的二維結構，比表面積大，理論上可到達2.63×104m2/g；熱導率可達到5.3×104W/(m?K)；透明性高，光的吸收率僅為2.3%等。石墨烯具有獨特的物理性質，在新材料中表現出巨大潛力[1]。能源危機已得到各國重視，石墨烯在導電性能方面展現優異的性能，與傳統氧化銦錫(ITO)相比無論是物理性能還是價格方面都比ITO優秀。文章分析近年來石墨烯制備方法以及厚度對導電性能影響，并分析研究過程中存在問題及未來發展趨勢。

1 石墨烯加熱膜制備技術

目前石墨烯制備技術主要有氧化石墨法、化學氣相沉積法、剝離石墨法以及復合材料制備方法。表征手段主要有XRD衍射分析、傅里葉-變化紅外光譜法、拉曼光譜分析、掃描電子顯微鏡法、熱重分析方法、X射線光電能譜法。先進分析設備為石墨烯制備提供了表征技術，提高了石墨烯研究進度。

（1）氧化石墨法。制備氧化石墨烯經典方法為Hummers法。該方法流程為加入石墨置于燒杯中，加入硝酸鈉并加入攪拌，在冰水中冷卻，加入高錳酸鉀，該過程中嚴格控制反應溫度、時間最后加入雙氧水，最終制備出石墨烯。如圖1為Hummers法流程圖。

Hummers法制備石墨烯是比較經典方法。該方法影響石墨烯因素比較多比如：反應溫度、反應時間、物質加入量等。為研究這些因素對石墨烯制備影響文獻[2]研究了影響石墨烯合成關鍵因素。結果表明Hummers法制備石墨烯時應控制溫度在90℃～100℃之間，低溫反應應控制在0℃附近，中溫反應應控制在30℃～45℃之間，加入過量的雙氧水有助于是石墨烯的生產。文獻[3]為提高石墨烯產量對Hummers法進行改進，先將石墨預氧化提高中溫反應時間。結構表明石墨烯經過氧化后，石墨邊緣分子間作用力消除，后續石墨在氧化時消耗能量降低。提高中溫反應時間可加快反應正向進行同時也能提高石墨純度。文獻[4]運用先進表征設備XRD、SEM、FT-IR等設備研究了（GO-1、GO-2、GO-3）三種方法制備石墨烯。結果表明KMnO4用量能夠改變氧化石墨層間距離，這是因為當KMnO4用量增加時含氧官能團增加，石墨形貌呈現為褶皺狀態使得層之間距離變大。

圖1 Hummers法流程圖

（2）化學氣相沉積法。化學氣相沉積法制備石墨烯是指以含碳小分子作為原料，在特定溫度、時間、壓力等化學反應條件下，實現碳原子二維平面生長，最終形成石墨烯結構。文獻[5]對銅箔進行化學處理，以甲烷、氫氣以及石墨作為原料，在銅箔表面進行化學氣相沉積。結果表明甲烷、氫氣流量分別為10cm3/min和20cm3/min時，反應溫度在1030℃下，反應時間為20min制備出石墨烯。運用XRD、SEM等表征手段分析結果表明所制備石墨烯為大面積連續單層石墨烯。文獻[6]在550℃下以銅箔為襯底，甲烷與氫氣流量比為1:1，在氬氣保護下制備出石墨烯。通過測量得出所制備石墨烯電阻值達到4.15KΩ，表現出良好的光電特征。

（3）剝離石墨。石墨烯是由范德華力將碳原子連接在一起，每層之間間距為0.34nm.石墨烯之間相互作用力遠小于共價鍵為此提出選用剝離原子方法制備石墨烯。目前常用手段是在溶液中采用超聲波作用破環范德華力。文獻[7]分析了國內外石墨烯剝離技術，指出當前石墨烯剝離可采用有機液相和表面活性劑輔助剝離技術。文獻[8]研究了在有機溶劑中使用超聲波技術進行石墨烯剝層，分析了溶劑、反應時間、反應還原劑以及石墨烯導電性。結果表明溶劑選擇為丙酮時石墨烯導電性能最高達到2.1909S/cm，當溶液PH值為7時能夠檢出溶液峰，檢出限達到0.05 umol/L。

2 石墨烯膜厚度對導電性能研究

石墨烯在導電性能方面具有良好的性能。國內外興起石墨烯膜厚度對導電性研究。文獻[9]采用不同GO溶液對SWCNTs進行分散，通過化學反應制備出混合分散溶液，將其噴涂在碳納米管上制備出透明導電薄膜材料。運用XRD、SEM等先進表征手段對薄膜材料進行表征。結果表明S-GO溶液對SWCNTs分散效果最佳，所制備的薄膜材料透光率達到85%，電阻為1.8KΩ/sq.學者為研究不同工藝制備出的石墨烯對導電性影響，對Hummers法進行改進選用超聲、沉降等方法制備出石墨烯在真空鍍膜機上進行鍍膜。運用XRD、SEM等進行對石墨烯進行表征。結果表明所制備的石墨烯具有較好空間結構。經過熱處理的石墨烯薄膜導電性隨著溫度升高電阻率不斷增加當溫度為1100℃時能達到536S/cm.學者以環氧樹脂、銅粉等導體和石墨烯經過混料裝置，制備出高導電性材料，運用先進表征手段進行分析。結果表明當銅粉含量為60%時，材料導電性最佳，加入0.05%石墨烯后能提高材料導電性。這與石墨烯網狀結構密不可分。

石墨烯在導電性方面體現強大的性能，人們運用XRD、SEM、拉曼等表征設備對石墨烯制備工藝進行分析。同時結合導電性參數分析出石墨烯薄膜導電性影響因素。后期石墨烯導電性將朝鍍膜方向發展。

3 結語

隨著材料表征技術不斷強大，石墨烯制備過程中關鍵參數可測量同時由于計算材料的不斷深入研究，石墨烯未來具有廣闊前景。