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(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)被作為高性能復(fù)合材料的改性材料進(jìn)行廣泛研究?；谑﹥?yōu)異性能，本文總結(jié)了其在碳化硅納米片中的應(yīng)用。

關(guān)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(xué)和熱穩(wěn)定性，優(yōu)良的力學(xué)性能，好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性以及寬禁帶（比一般半導(dǎo)體更寬，3C-SiC為2.39

eV）等特征倍受關(guān)注。同時(shí)，與傳統(tǒng)的塊狀SiC材料和SiC薄膜相比，低維納米SiC材料因?yàn)榱孔映叽缧?yīng)、大的比表面積等特性，表現(xiàn)出一些新的特征（對(duì)CO、CO?2?等氣體高度敏感，對(duì)氧化還原反應(yīng)起催化作用）。這些特征使SiC在半導(dǎo)體、耐磨涂層、高溫結(jié)構(gòu)材料、環(huán)境凈化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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?yàn)槠錄Q定了產(chǎn)物的物理和化學(xué)性質(zhì)。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(duì)于二維貴金屬納米材料（金、銀等），具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和催化性能。但是，在高性能微電子器件、電磁波吸收體等應(yīng)用領(lǐng)域，二維SiC納米片材料的電學(xué)、吸波等性能很難滿足需求。納米材料相比塊體材料，展現(xiàn)出許多特殊新穎的電學(xué)、光學(xué)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(shù)，將其與碳化硅復(fù)合，構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)，結(jié)合各自的優(yōu)異性能，互補(bǔ)各自不足，改善碳化硅的電學(xué)、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(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)被作為高性能復(fù)合材料的改性劑進(jìn)行研究。蘆偉等人在真空條件下對(duì)微米尺寸的6H-SiC粉末進(jìn)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(zhì)量石墨烯，該顆粒展示出極好的降解有機(jī)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(jī)物的效果提高了7倍左右。Wang等人通過化學(xué)氣相沉積方法在鋼環(huán)狀樣品載體上制備出C涂層改性的SiC納米電纜。電學(xué)性能測試結(jié)果表明，碳化硅納米結(jié)構(gòu)表面改性不僅可以將碳化硅表面性質(zhì)從親水性調(diào)節(jié)為疏水性，還可以顯著提高其電學(xué)性能。若將單層或多層石墨烯與二維SiC納米材料復(fù)合形成核殼結(jié)構(gòu)，結(jié)合二者優(yōu)異性能，有望得到性能更優(yōu)異的（半導(dǎo)體、光催化、電磁吸收體等領(lǐng)域）材料。

2 石墨烯改性SiC的研究

目前，對(duì)于C/SiC核殼復(fù)合材料的報(bào)道甚少。有研究者[1]介紹了通過微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在Si襯底上生長邊緣取向的SiC納米壁，然后進(jìn)行表面石墨化來制備SiC支撐的應(yīng)變石墨烯納米壁。該方法中石墨薄片生長緩慢并且在達(dá)到高溫后很快終止生長，而且該方法成本較高、工藝復(fù)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?zé)Y(jié)爐制備出SiC/石墨烯核殼結(jié)構(gòu)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(chǎn)物中石墨烯的層數(shù)很難得到控制，若含有金屬陽離子對(duì)復(fù)合材料高溫性能也會(huì)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(nèi)壓力、溫度以及反應(yīng)時(shí)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)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(fù)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(jié)構(gòu)自由碳，復(fù)合材料成分不易控制，而且還容易生成SiO?2。

3 結(jié)論

核殼結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)機(jī)制、多層構(gòu)造以及石墨烯材料優(yōu)良的力學(xué)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，改善了SiC的電學(xué)、光催化以及吸波等性能，為高性能材料的制備與設(shè)計(jì)提供新的思路。

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