[科普中国]-机械剥落法

机械剥落法，就是通过对石墨晶体施加机械力(摩擦力、拉力等)将石墨烯或石墨烯纳米片层从石墨晶体中分离出来的方法。

概述机械剥落法就是利用机械力将石墨烯片从高度定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，HOPG)表面剥离开来的制备方法。2004年，Novoselov等运用机械剥落法首次制备了石墨烯片，他们将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，通过撕开胶带将石墨片剥离开，经过反复操作，得到石墨烯。机械剥落法是制备石墨烯最为直接的方法，获得的石墨烯尺寸可达100μm且具有较高的质量，但是尺寸不易控制、低产率等缺点使该方法仅适用于基础研究。1

发展用机械剥落法将普通的石墨片层减至最薄的努力可以追溯到1960年，当时委内瑞拉电镜学家Humberto Fernandez-Moran试图寻找一种具有足够强度的、对电子束透明的并且质地均一的材料作为样品的支持膜，他成功地从石墨晶体中剥离出了厚度为5 nm(约巧层石墨烯)的石墨片层。但从那以后，机械剥落法减薄石墨片层的研究几乎停滞了。1990年以后，随着富勒烯和碳纳米管的发现，关于石墨烯的研究再次兴起。研究者发现当原子力显微镜(AFM)的探头在高定向热解石墨(HOPG)的表面摩擦后，可以掀起厚度在4 nm左右的石墨烯纳米带并可以将其在HOPG的表面上折成几折。但是当时研究者并未将石墨烯纳米片层从HOPG的表而上转移到其它的衬底上。

1999年，Rodney S. Ruoff等将HOPG上刻蚀出的石墨柱在硅衬底上涂抹，得到了厚度小于10 nm的石墨片层。具体的做法是:首先在HOPG的表面上镀一层，然后在的表面涂上一层光刻胶，在光刻胶上光刻后用氢氟酸(HF)将不受光刻胶保护的除去，再将剩余的光刻胶除净。这样留下的岛状就会像面具一样保护HPOG不受氧等离子刻蚀的影响，而未受保护的地方将会受到刻蚀。在除去剩余的后，最终在HPOG的表面上留下排列规整的石墨柱。值得注意的是，这些石墨柱的高度可以通过调节氧等离子刻蚀的时间来改变。将这些石墨柱在Si衬底的(001)面上摩擦后，会发现石墨柱解离为一系列堆叠在一起的纳米片层，在某些地方留下的片层极薄。2

新的机械剥落法的出现回顾石墨烯的研究历程，我们不难发现机械剥落法在其中起到了至关重要的作用。由于这些方法大多需要涉及精密的操作来施加微小的机械力，研究人员又把它们命名为微机械剥落法。直到现在，利用微机械剥落法获得的石墨烯的质量仍然是最好的，被广泛的应用在凝聚态物理等基础研究中。然而，微机械剥落法无法应用在石墨烯的宏量制备中，从而阻碍了这种方法在石墨烯复合材料特别是石墨烯/陶瓷复合材料方面的应用。为了在提高石墨烯产量的同时最大限度地保留石墨烯优异性能，1种新的机械剥落法逐渐得到人们的重视。这种新的方法主要是以机械磨为剥离的工具来大量制备高质量的石墨烯。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学