基于有机插层的近自由石墨烯的制备

　　石墨烯由于其高对称性、高载流子迁移率、弹道输运等令人惊奇的电学性质而广受关注，其神奇的电学性质来源于其载流子是一种类似于Dirac Fermions的相对论粒子，这种在室温下稳定存在的相对论粒子，对量子力学的理论验证具有重要的意义。迄今为止，石墨烯的理论工作已经相对完善，但实验研究要落后得多。其原因是制备相对稳定的高质量大面积石墨烯仍然缺乏有效的途径。目前来说，制备石墨烯的途径很多，但是真正可以大规模应用的还没有，究其原因：1) 受衬底散射的影响；2）受层数的限制，也即当层数增加时，石墨烯各层之间的耦合使得载流子迁移率会受到很大的削弱，其应用价值会受到很大的限制。

　　中科院物理研究所陈小龙研究组黄青松等与国内外相关研究组合作发现了一种简单易行的方法-有机插层法，利用这种方法，能够很方便地制备可大规模应用的外延石墨烯，其层间耦合作用趋近于零。这种在碳化硅衬底上外延生长的石墨烯，在高温时以氢气为前驱插层物，进入石墨烯的层间；于低温时诱导生成甲烷或甲基插层，使得石墨烯的层间距增大到约 0.38 nm，远大于0.3410 nm （这一层间距使得碳面生长的多层石墨烯性质类似于单层石墨烯），并在多层石墨烯中维持这一间距。从而使得多层石墨烯的性质类似于单层自由石墨烯，因此形象地称之为近自由石墨烯。这样得到的石墨烯，即使层数高达20层，其性质还是与单层石墨烯相似，其载流子迁移率估值至少在2000 cm²Vs^-1 以上。

　　在北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站利用X射线衍射方法精确测定了石墨烯层间距随层数变化的规律。虽然石墨烯的层间距随层数的增加，呈现略有下降的趋势，但是其下限是甲烷分子的直径加上碳原子的直径。由此，多层石墨烯可以维持其单层时的性质。这就使得制备石墨烯的难度大为降低，并且有可能实现石墨烯生产的工业化。甚至可以将裸眼不可见的石墨烯，制备成一张普通厚度的纸，其应用前景将会得到极大的提高。相关研究内容参见发表文章。

　　这一研究为制备实用化的石墨烯提供了可能。有机插层技术克服了石墨烯的层数限制，是一种使得石墨烯从实验室走向工业化的迈进。在此过程中，同步辐射装置揭示了有机插层后的多层石墨烯层间距随着层数的增加基本保持不变，只是在有很小范围内略有调整，这就使得外延石墨烯各层之间的耦合作用大大削弱，从而石墨烯的性质可以不受层数的影响。利用同步辐射实验方法不仅可以揭示层数和层间距的关系，而且可以进一步描述层与层之间的取向关系，以及石墨烯晶体的尺寸大小。为石墨烯的制备和应用提供有力的支持。

　　发表文章：

　　Qingsong Huang,Xiaolong Chen,*Jingjing Lin,Kang Li,Yuping Jia,Jun Liu, Liwei Guo,Wenjun Wang,and Gang Wang, Preparation of Quasi-Free-Standing Graphene with a Super Large Interlayer Distance by Methane Intercalation, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 20538–20545.