A grafén előállítására szolgáló módszereket a lehetséges alkalmazási területek szerint három osztályba osztják [1] :
Az első osztályt, amelyet általában kémiai hasítással nyernek , a grafén mérete több száz nanométer, a grafén-oxidokból és grafitból kémiai módszerekkel restaurált filmek mérete pedig 100 mikron nagyságrendű. Az ilyen kristályok nem alkalmasak szállítási mérésekre, mivel mobilitásuk kicsi, de nagy mennyiségben előállíthatók. A mechanikai hasítást is magában foglaló módszerek harmadik osztályánál az egykristályok mérete körülbelül egy milliméter, és a mintákat kutatólaboratóriumokban használják az áramhordozók nagy mobilitása miatt. Ehhez a módszerosztályhoz nincs tömeggyártás. MásodosztályA grafén előállításának módszerei mind az egykristályok méretét, mind a mobilitást tekintve köztes helyet foglalnak el, ezért gyakran használják laboratóriumokban, és ipari alkalmazási lehetőségekkel rendelkezik [1] .
Erősen orientált pirolitikus grafiton vagy kish-grafiton [2] mechanikai hatás hatására ~100 µm-es grafénfilmek állíthatók elő [3] . Először vékony grafitrétegeket helyeznek a ragasztószalagok közé, és a grafitfilmeket újra és újra letörik, amíg kellően vékony réteget nem kapnak (sok film között lehetnek egyrétegűek, amelyek érdekesek). Hámozás után a vékony grafit- és grafénrétegű ragasztószalagot egy oxidált szilícium hordozóhoz nyomják. Ilyenkor nehéz egy bizonyos méretű és alakú fóliát előállítani a szubsztrátum korábban ismert területein (a fóliák vízszintes mérete általában kb. 10 mikron) [4] . Az optikai mikroszkóppal talált filmeket (300 nm-es dielektromos vastagságnál alig láthatók) előkészítik a mérésekhez. Atomerőmikroszkóp segítségével meghatározzuk a grafitfilm tényleges vastagságát (grafén esetében ez 1 nm-en belül változhat). A grafén a fény Raman-szórásával [5] vagy a kvantum Hall-effektus mérésével [2] [6] is meghatározható . Elektronlitográfiával és reaktív plazmamaratással a film alakját beállítják az elektrofizikai mérésekhez (Hall-híd a magnetotranszport mérésekhez).
Egy alternatív módszert javasol a [7] . A módszer abból áll, hogy az oxidált szilícium szubsztrátumot epoxi ragasztóval vonják be (a munka során ~10 μm vastag réteget használtunk), és egy vékony grafitlapot prés segítségével a ragasztóhoz nyomnak. A grafitlemez ragasztószalaggal történő eltávolítása után grafénnel és grafittal rendelkező területek maradnak a ragasztófelületen. A grafit vastagságát Raman fényszórás segítségével határoztuk meg , a grafén érdességét pedig atomi erőmikroszkóppal mértük, amiről kiderült, hogy mindössze 0,16 nm (a grafén érdességének fele szilícium hordozón [8] ).
A cikkben [9] egy módszert javasolnak grafén elektromos áramkörök nyomtatására (korábban ezt a módszert használták nanocsövek alapú vékonyréteg-tranzisztorok nyomtatására és szerves elektronikára. [10] [11] ). Maga a nyomtatási folyamat az aranyérintkezők, a grafén és végül egy fémkapuval ellátott dielektrikum (PMMA) egymás utáni átviteléből áll egy átlátszó polietilén - tereftalát ( PET ) hordozóra , amelyet a lágyulási hőmérséklet fölé 170 °C-ra előmelegítenek, Ennek köszönhetően az érintkezők benyomódnak a PET-be, és a grafén jó érintkezésbe kerül a hordozóanyaggal. Ezzel a grafénleválasztási módszerrel a mobilitás nem csökken, bár észrevehető aszimmetria jelenik meg az elektron (μe = 10000 cm 2 V – 1 s– 1 ) és a lyuk (μh = 4000 cm 2 V – 1 s– ) között. 1 ) vezetési régiók. Ez a módszer alkalmas grafén felvitelére bármilyen hordozóra, amely alkalmas különösen optikai mérésekre.
Graféndarabok grafitból kémiai módszerekkel is előállíthatók [13] . Először is, a grafit mikrokristályokat kénsav és salétromsav keverékének teszik ki . A grafit oxidálódik, és a grafén karboxilcsoportjai jelennek meg a minta szélein . Tionil-kloriddal kloriddá alakulnak . Ezután oktadecil -amin hatására tetrahidrofurán , szén-tetraklorid és diklór -etán oldatában 0,54 nm vastag grafénrétegekké alakulnak át . Ez a kémiai módszer nem az egyetlen, a szerves oldószerek és vegyszerek megváltoztatásával nanométeres grafitrétegek nyerhetők [14] [15] [16] .
A [17] [18] cikk egy másik kémiai módszert ír le polimer mátrixba ágyazott grafén előállítására .
Grafén filmeket úgy állíthatunk elő, hogy egy egyrétegű grafit-oxid filmet redukálunk, például hidrazin atmoszférában , majd argon/hidrogén keverékben lágyítjuk. A grafit-oxid redukciójával nyert grafén minősége azonban gyengébb a szalagos módszerrel nyert grafénéhoz képest, a különböző funkciós csoportok hiányos eltávolítása miatt. A grafitoxid film felhordása a DVD lemezre és a lézeres kezelés egy DVD meghajtóban egy grafén film előállításához vezetett a lemezen, amely nagy elektromos vezetőképességgel ( 1738 S / m ) és 1520 m2 fajlagos felülettel rendelkezik. g [19] [20] .
Két további módszert kell megemlíteni: a rádiófrekvenciás plazmakémiai gőzleválasztást ( PECVD ) [ 21] és a növekedést magas nyomáson és hőmérsékleten ( HPHT ) [ 22] . Ezen módszerek közül csak az utóbbi használható nagy felületű filmek előállítására.
A munkák [23] [24] és a népszerű cikk [25] a SiC(0001) szilícium-karbid szubsztrátumokon termesztett grafén előállításának szentelték . A SiC szubsztrát felületének hőbontásával grafitfilm keletkezik (ez a grafén kinyerési módja sokkal közelebb áll az ipari termeléshez), a kinőtt film minősége a kristály stabilizálásától függ: C -stabilizált vagy Si - stabilizált felület - az első esetben a filmek minősége magasabb. A [26] [27]-ben ugyanez a kutatócsoport kimutatta, hogy annak ellenére, hogy a grafitréteg vastagsága több mint egyrétegű, a vezetőképességben csak egy réteg vesz részt a hordozó közvetlen közelében, mivel a SiC-C interfész a két anyag munkafunkcióinak különbsége miatt kompenzálatlan töltés képződik. Kiderült, hogy egy ilyen film tulajdonságai megegyeznek a grafénéval.
A grafén ruténium [28] és irídium [29] fémhordozón termeszthető .
Ha az elektródák közé pirolitikus grafitkristályt és szubsztrátot helyezünk, akkor a [30] ábrán látható módon biztosítható, hogy a felületről grafitdarabok, amelyek között atomi vastagságú filmek is lehetnek, el tudjanak mozogni az elektródák alatt. elektromos tér hatása az oxidált szilícium hordozóra. A meghibásodás elkerülése érdekében (1-13 kV feszültséget kapcsoltak az elektródák közé) egy vékony csillámlemezt is helyeztek az elektródák közé .
A mechanikai módszer (a szilícium szubsztrát felületére egy grafitrudat írnak, amely megsemmisüléskor filmeket hagy maga után) és az ezt követő magas hőmérsékletű lágyítás (~1100 K) valamilyen kombinációját alkalmazták vékony, akár egyrétegű grafitrétegek előállítására. filmek [31] .