Det är hur grafenet ska användas som slutprodukt som bestämmer graden av kvalitet på grafen som krävs. Det finns olika metoder att få fram grafen och skillnaden är stor på kvalitet och kostnad för de olika metoderna. Inom elektronikområdet krävs en hög precison och behöver grafen i ordnade strukturer, med hög renhet eller inom optoelektronik med krav på ljusgenomsläpplighet. Däremot söker man efter att förbättra egenskaper som uthållighet, styrka, värmeledning krävs inte fullt så höga krav då kanske man söker efter pulverformiga material med grafen flagor som är billiga att tillverka.
Kemisk ångavsättning
Kemisk ångavsättning CVD av grafen är en av de mest lovande teknikerna för att producera stora området kontinuerlig grafen för avancerade elektroniska applikationer. CDV kan ske på olika typer av substrat, metaller isolatorer en metod som är transfer-fri och metallfri, vilket gör processen mycket snyggare och bekvämare. Det kan användas som genomskinliga elektroder i optoelektroniska enheter som skärmar och solceller.
CDV sker i ett flertal steg, flyktiga gasmolekyler och avsätts på ett substrat som sker i en reaktionskammare. Temperaturen i kammaren i påverkar den typ av reaktion som äger rum. De bekanta sexkantiga gallerstrukturerna fäster på substratet ända tills kolatomerna inte har möjlighet att träffa metallen. Efter alla grafen öarna bildats av nukleation smälter de samman till en integrerad grafenfilm. Detta är den så kallade själv-begränsande tillväxt och det ger ett ultrarent, högkvalitativt sammanhängande enskiktslager av grafenfilm över hela metallytan. Därefter ska filmen överföras till det slutliga substratet, här finns flera utmaningar. Några av nackdelarna med överföringen är vidhäftningsförmågan inte är känd, reproducerbarheten behöver förbättras, det kan bildas rynkor och det är en tidskrävande process. Man strävar därför efter att utveckla en metod att växa grafenet direkt där man ska applicera materialet. På vissa substrat är detta möjligt och utvecklingen, man kan visa på att massproduktion av CVD-grafen är möjligt. Här är det möjligt att gå från råvara till grafen överförd på olika material direkt. Med rulle-till-rulle-format på genomskinliga, flexibla och ledande filmer kan man masstillverka grafen till olika specifika tillämpningar. (Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences)
Mekanisk exfoliering
Den mekaniska exfoliering av grafit är i själva verket den metod som lede till att man kunde isolera grafen på en isolator så att dess egenskaperna kunde studeras. Den mekaniska exfolieringen innebär att vi utgår från en bit av bulk grafit och använda rena mekaniska krafter för att dela lagren från varandra för att producera grafen. Det här är en välkänd metod som använts under ganska lång tid i andra materialsystem. Införandet av denna metod på grafens område har dock lett till den blomstrande forskningen på grafen. Mekanisk exfoliering av grafen är speciellt användbar då det är enkelt att separera lagren, van der Waals krafterna mellan de skiktade strukturerna är svaga. Men svagheten i van der Waals kraft definierar också nackdelarna med den mekaniska exfoliering.
När vi trycker på exfolierade flingor i det nya substratet, påverkas vidhäftningskraften av van der Waals bindingarna. Eftersom det är mycket svagt och svårt att kontrollera, så då har man nästan ingen kontroll över hur mycket kommer att finnas kvar på det nya substratet och hur mycket som tas bort. Storleken och antal lager av den överförda grafen är slumpmässiga vilket gör att den mekaniska exfoliering inte är lämplig för massproduktion och verkliga tillämpningar.
Kemisk eller plasma-exfoliering från naturlig grafit
Vid den mekaniska exfolieringen av grafit, skalar man bort grafen lagren med hjälp av tejp. En annan variant att separera grafenlagern är genom vätske exfoliering. Precis som namnet antyder, är vätskefasen exfoliering en process i flytande lösning. Avståndet mellan grafen lager bara är 3,4 Å, behöver man skapa kemiska reaktioner för att infoga något i luckorna mellan lagren för att göra dem mer separerade. Detta kallas kemisk interkalering, som gör exfolieringen senare mycket lättare. Efter att grafiten har ”expanderat”, använder vi mekaniska krafter för att separera grafen lagren från varandra. De kan vara ultraljudsbehandling, mekanisk peeling eller bubblande. Allt görs i vätska, så det reulterar i en enhetlig suspension av de exfolierade grafen flingorna antingen i vatten eller någon annan typ av lösningsmedel som kloroform och NMP.
Det här är en billig metod att producera grafen, man får grafen av relativt god kvalitet. Nackdelen är att formen och antalet lager är mycket svåra att kontrollera. De kemikalier som används under produktionen kan införa kontaminering.
Grafenoxid (GO) och Reducerad Grafenoxid (rGO)
Reduktion av grafenoxid är en annan viktig metod att producera grafen i vätskor än vätskefas exfoliering av grafit.
Som namnet antyder innebär metoden en kemiska reaktioner som reduktion och oxidation. Redan för ett sekel sedan uteckladers en teknik för att produceras grafitoxid. Det är en solid grafit struktur utrustad med funktionella grupper med syre och väte element.
Grafitoxid produceras genom att med mycket starka syror och oxiderande material används för att oxidera grafit. Beroende på reaktionsförhållanden som temperatur, tryck och vilken typ av grafit som används som utgångsmaterial, kan graden av oxidation vara ganska annorlunda.
Som namnet antyder är grafitoxid benämningen på en grupp av olika föreningar av kol, syre och väte i variabla förhållanden. När grafit förvandlas till grafitoxid ökar avståndet mellan lager två till tre gånger jämfört med orörda grafit på grund av oxidationsprocessen. Den mest använda metoden för att producera grafitoxid kallas Hummer metoden. Man använder en blandning av svavelsyra H2SO4, natriumnitrat Nano3, och kaliumpermanganat KMnO4 för att oxidera grafit. Den kan variera viss litteratur, men essensen är densamma.
Grafen och grafen oxid har mycket gemensamt och båda har skiktade strukturer men vissa egensker skiljer sig och spelar en stor roll för dess tillämpning. Grafenoxid är en halvledare då grafen räknas som en halvmetall. GO har tillskillnad från grafen ett bandgap. GO är Hydrofil och grafen är hydrofob (vattenavvisande) vilket innebäratt när grafen är i kontakt med vatten, är det till synes stötas bort från vattnet som om det finns en motbjudande kraft. Tvärtom, grafen oxid är hydrofil. Det vill säga, grafen oxid är mycket lätt att fördelas jämnt i vatten eftersom den har en stark affinitet med vatten. Grafenoxid en halvledare, mycket användbart inom transistorer. GO har även ett bandgap som påverkar transistorns förmåga att stänga av och på.
Grafenoxid är mycket defekt, storlek, form och antal lager är mycket svåra att kontrollera. Det gör det idag svårt att använda GO inom det otroligt precisionskrävande halvledarindustrin.
Teoretiskt skulle man genom att reducera GO komma till grafen. Men reducerad grafenoxid är mycket defekt då reduktionen av grafenoxid kan knappast vara fullständig och det alltid att finnas någon del som inte kan helt reduceras tillbaka till grafen. Detta är en av de grundläggande orsakerna till att resultatet kallas reducerad grafenoxid snarare än att bara kalla det grafen.
Reducerad grafenoxid produceras från grafitoxiden som vi fått fram med Hummer metoden, använda ultraljudsbehandling för att skingra grafitoxid flingor i vatten. Den introducerar mekanisk vibration på ultraljud frekvens, som ger tillräckligt med energi för grafitoxid kan bryta sig in i flingor med olika antal lager. Då tillsätts ett reduktionsmedel för att reducera grafenoxid tillbaka till sin ursprungliga grafit gallerstruktur som är grafen. Reducerad grafen oxid är billig och är lämplig för massproduktion, och priset i det fallet förväntas vara mycket mer reducerad för industriell massproduktion.