石墨烯改性碳化硅材料的研究

蔡子田

摘?要：近年來，石墨烯因其優異的電學、光學和力學等性質被作為高性能復合材料的改性材料進行廣泛研究。基于石墨烯優異性能，本文總結了其在碳化硅納米片中的應用。

關鍵詞：石墨烯;碳化硅;納米材料

碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，由碳與硅鍵合而成的陶瓷化合物，由于其出色的化學和熱穩定性，優良的力學性能，好的導熱、導電性以及寬禁帶（比一般半導體更寬，3C-SiC為2.39

eV）等特征倍受關注。同時，與傳統的塊狀SiC材料和SiC薄膜相比，低維納米SiC材料因為量子尺寸效應、大的比表面積等特性，表現出一些新的特征（對CO、CO?2?等氣體高度敏感，對氧化還原反應起催化作用）。這些特征使SiC在半導體、耐磨涂層、高溫結構材料、環境凈化等領域得到廣泛應用。除SiC材料的自然特性外，SiC納米晶體的形貌和表面控制也變得越來越重要，因為其決定了產物的物理和化學性質。自從1994年首次合成SiC納米棒以來，研究者們付出很大努力制備了具有多樣化形貌的SiC納米材料，如零維SiC納米空心球，一維SiC納米線、SiC納米棒、SiC納米晶須、和核殼納米線（SiC@石墨核殼納米線），以及二維SiC納米片等。二維SiC納米片相對于二維貴金屬納米材料（金、銀等），具有獨特的光學性質和催化性能。但是，在高性能微電子器件、電磁波吸收體等應用領域，二維SiC納米片材料的電學、吸波等性能很難滿足需求。納米材料相比塊體材料，展現出許多特殊新穎的電學、光學和吸波等性能，將納米材料添加到中，可有效改善材料的一些功能特性。因此，采用納米技術，將其與碳化硅復合，構建核殼結構，結合各自的優異性能，互補各自不足，改善碳化硅的電學、吸波等性能成為一種可行且有效的方法。

1 石墨烯的研究

石墨烯由于其優異的電學、光學和力學等性質被作為高性能復合材料的改性劑進行研究。蘆偉等人在真空條件下對微米尺寸的6H-SiC粉末進行高溫退火處理，在SiC顆粒表面原位生長出完全包覆SiC顆粒的高質量石墨烯，該顆粒展示出極好的降解有機物能力，相較于同尺寸的無石墨烯的SiC顆粒，包覆有石墨烯的SiC顆粒降解有機物的效果提高了7倍左右。Wang等人通過化學氣相沉積方法在鋼環狀樣品載體上制備出C涂層改性的SiC納米電纜。電學性能測試結果表明，碳化硅納米結構表面改性不僅可以將碳化硅表面性質從親水性調節為疏水性，還可以顯著提高其電學性能。若將單層或多層石墨烯與二維SiC納米材料復合形成核殼結構，結合二者優異性能，有望得到性能更優異的（半導體、光催化、電磁吸收體等領域）材料。

2 石墨烯改性SiC的研究

目前，對于C/SiC核殼復合材料的報道甚少。有研究者[1]介紹了通過微波等離子體增強化學氣相沉積法在Si襯底上生長邊緣取向的SiC納米壁，然后進行表面石墨化來制備SiC支撐的應變石墨烯納米壁。該方法中石墨薄片生長緩慢并且在達到高溫后很快終止生長，而且該方法成本較高、工藝復雜，需要精確控制加工條件。黃小蕭等[2]介紹了一種在較高溫度和一定壓力下利用高溫燒結爐制備出SiC/石墨烯核殼結構納米線。其采用金屬或金屬化合物作為催化劑，在SiC納米線表面長出了一層或多層石墨烯。該方法中采用金屬或金屬化合物作為催化劑，獲得的產物中石墨烯的層數很難得到控制，若含有金屬陽離子對復合材料高溫性能也會有很大影響。

LuW等[3]通過將裝有SiC粉末的坩堝裝載到自制的高溫爐，控制爐內壓力、溫度以及反應時間，在SiC粉末上覆蓋不同厚度的石墨烯（從小于三層到超過10層）制得SiC/石墨烯核殼結構復合材料。該方法石墨烯缺陷較多，容易脫落，而且石墨烯的層數很難得到控制。

也有研究者通過控制二茂鐵含量和退火溫度，熱解二茂鐵改性聚碳硅烷制備SiC/C復合陶瓷。該材料中生長有碳納米線，亂層碳，洋蔥狀碳和石墨烯樣碳4種結構自由碳，復合材料成分不易控制，而且還容易生成SiO?2。

3 結論

核殼結構的互補機制、多層構造以及石墨烯材料優良的力學、導熱和導電性能，改善了SiC的電學、光催化以及吸波等性能，為高性能材料的制備與設計提供新的思路。

參考文獻：

[1]Hu M S，Kuo C C，Wu C T，et al.The production of SiC nanowalls sheathed with a few layers of strained graphene and their use in heterogeous catalysis and sensing applications[J].Carbon，2011，49（14）：4911-4919.

[2]黃小蕭，閆旭，溫廣武，等.一種SiC/石墨烯核殼結構納米材料的制備方法：CN104495850A[P].2015.

[3]Lu W，Guo L，Jia Y，et al.Significant enhancement in photocatalytic activity of high quality SiC/graphene core-shell Heterojunctio-n with optimal structural parameters[J].Rsc Advances，2014，4（87）：46771-46779.

[4]Li，Q.;Yin，X.W.;Duan，W.Y.;Kong，L.;Liu，X.M.;Cheng，L.F.;Zhang，L.T.Improved dielectric and electromagnetic interference shielding properties of ferrocenemodified polycarbosilane derived SiC/C composite ceramics.J.Eur.Ceram.Soc.2014，34，2187-2201.