人類目前最強(qiáng)功能材料-石墨烯

1、人類目前最強(qiáng)功能材料人類目前最強(qiáng)功能材料-石墨烯石墨烯比鉆石還硬的材料比鉆石還硬的材料-石墨烯石墨烯一、一、石墨烯概念石墨烯概念二、二、發(fā)展簡(jiǎn)史發(fā)展簡(jiǎn)史三、三、石墨烯特性石墨烯特性四、四、制備方法制備方法 五、五、應(yīng)用前景應(yīng)用前景 六、六、石墨烯材料的誕生獲得石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)七、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)狀況七、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)狀況八、石墨烯實(shí)例八、石墨烯實(shí)例 目目 錄錄一、一、石墨烯概念石墨烯概念： 石墨烯具有諸多超乎人類想象的優(yōu)越特性。 第一：石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將

2、能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂； 第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。 石墨烯市場(chǎng)售價(jià)大約5000元/克，比黃金貴15倍，廣泛用于軍事、電子工業(yè)領(lǐng)域。石墨烯在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。石墨烯的來(lái)源。常見(jiàn)的天然石墨是由一層層蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成較薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，形成的一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯，是碳的二維結(jié)構(gòu)，厚度只有0.335納米，把20萬(wàn)片薄膜疊加到

3、一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家科斯提亞 諾沃謝夫和安德烈 蓋姆因?yàn)槭紫劝l(fā)現(xiàn)石墨烯獲得2010年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。 石墨烯有可能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳元素更高的電子遷移率可以使未來(lái)的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。一、石墨烯材料的簡(jiǎn)介一、石墨烯材料的簡(jiǎn)介1 1、定義、定義 石墨烯（Graphene）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，厚

4、度只有0.335納米,僅為頭發(fā)的20萬(wàn)分之一，是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。 石墨烯的理論比表面積高達(dá)2 600m2Pg ,具有突出的導(dǎo)熱性能( 3 000Wm- 1K- 1 ) 和力學(xué)性能(1 060GPa) , 以及室溫下較高的電子遷移率(15 000cm2V- 1s - 1 ) 。此外,它的特殊結(jié)構(gòu),使其具有半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、永不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì) ,因而備受關(guān)注。2、發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn) Graphene(石墨烯) 是2004年由曼徹斯特大學(xué)科斯提亞諾沃謝夫（Kostya Novoselov）和安德烈蓋姆

5、（Andre Geim）發(fā)現(xiàn)的，他們使用的是一種被稱為機(jī)械微應(yīng)力技術(shù)（micromechanical cleavage）的簡(jiǎn)單方法。正是這種簡(jiǎn)單的方法制備出來(lái)的簡(jiǎn)單物質(zhì)石墨烯推翻了科學(xué)界的一個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)任何二維晶體不能在有限的溫度下穩(wěn)定存在?，F(xiàn)在石墨烯這種二維晶體不僅可以在室溫存在，而且十分穩(wěn)定的存在于通常的環(huán)境下。 一直以來(lái)理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為嚴(yán)格的二維晶體無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，這一假設(shè)直到2004 年英國(guó)Manchester 大學(xué)的Geim等人發(fā)現(xiàn)單層石墨烯(graphene)后才得以改變。 他們采用一種簡(jiǎn)單的“微機(jī)械力分裂法” (microfolitation) 制備了一種單原

6、子厚度的碳膜, 這種兩維碳材料表現(xiàn)了很高的結(jié)晶度而且異乎尋常地穩(wěn)定。 這一發(fā)現(xiàn)立刻震撼了科學(xué)界， 隨后這種新型碳材料成為材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？邓固苟≈Z沃肖洛夫 安德烈海姆 3 3、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 完美的石墨烯是二維的, 它只包括六角元胞(等角六邊形) 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他們構(gòu)成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞細(xì)胞會(huì)使石墨烯翹曲; 12個(gè)五角元胞的會(huì)形成富勒烯。碳納米管也被認(rèn)為是卷成圓桶的石墨烯; 可見(jiàn)，石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元三、石墨烯材料的性質(zhì)三、石墨烯材料的性質(zhì)1 1、力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)比鉆石還要硬比鉆石還要硬

7、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析：在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每：在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.92.9微微牛。牛。 據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加5555牛頓的牛頓的壓力才能使壓力才能使1 1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100100納納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將

8、其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。將能承受大約兩噸重的物品。 打個(gè)比方說(shuō)單層石墨烯的強(qiáng)度，就像把大象的重量打個(gè)比方說(shuō)單層石墨烯的強(qiáng)度，就像把大象的重量加到一支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一加到一支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層石墨烯。樣厚度的單層石墨烯。 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明從鉛筆石墨中提取的石墨烯，竟然比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍，這項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)刊登于近期的科學(xué)雜志，作者是兩位哥倫比亞大學(xué)的研究生，來(lái)自中國(guó)的韋小丁和韓裔李琩鈷。Changgu Lee, et

9、al.Graphene Measurement of theGraphene Measurement of theElastic Properties and Elastic Properties and Intrinsic Strength of Intrinsic Strength of MonolayerMonolayer Science 321321, 385 (2008);DreamsDreams：對(duì)于強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高對(duì)于強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不僅可以造上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不僅可以造出出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防

10、彈衣紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還可以制作甚至還可以制作2300023000英里長(zhǎng)伸入太空的電梯英里長(zhǎng)伸入太空的電梯，實(shí)現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢(mèng)想。實(shí)現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢(mèng)想。美國(guó)國(guó)家航空航天局（美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASANASA）懸賞）懸賞400400萬(wàn)美金萬(wàn)美金鼓勵(lì)科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開(kāi)發(fā)鼓勵(lì)科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)人類夢(mèng)想2 2、出色的電學(xué)性質(zhì)、出色的電學(xué)性質(zhì)電子運(yùn)輸電子運(yùn)輸 碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這樣每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，這些電子與平面成垂直的方向可形成軌道，電子可在晶體中自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。此外，石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。3

11、3，導(dǎo)電性，導(dǎo)電性 石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。 石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。 石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。 4 4，電子的相互作用，電子的相互作用 石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵

12、格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用。 石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。 5 5、其它特殊性質(zhì)、其它特殊性質(zhì)石墨烯具有明顯的二維電子特性。在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯電子性質(zhì)用量子力學(xué)的迪拉克方程來(lái)描述比薛定諤方程更好可控滲透性離子導(dǎo)電體各向異性超電容性 其它應(yīng)用其它應(yīng)用 pH傳感器 氣體分子傳感器 儲(chǔ)氧材料 藥物控制釋放 離子篩 作為電極材料電子顯微鏡下觀測(cè)的石墨烯片，其碳原子間距僅0.14納米 韓國(guó)成均館大學(xué)和三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。 石墨烯的材質(zhì)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：其導(dǎo)電性能比銅還好幾倍；堅(jiān)硬比鋼鐵

13、大10倍而且極輕，由此可見(jiàn)可用于飛機(jī)制造來(lái)減少重量與避彈衣制造。 石墨烯的應(yīng)用前景：太空電梯纜線、替代硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)、光子傳感器、液晶顯示材料、新一代太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。 瑞典和美國(guó)的科學(xué)家使用神奇的石墨烯材料的發(fā)光面板，總有一天也許會(huì)讓基本的燈泡變成多余的。薄得像紙一樣的薄得像紙一樣的iPhone概念手機(jī)概念手機(jī)二、二、發(fā)展簡(jiǎn)史發(fā)展簡(jiǎn)史： 石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈杰姆和克斯特亞諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地

14、這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。 石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。 在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒(méi)有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，

15、這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。普通電容器和超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)（超級(jí)電容器不同于電池，在充放電時(shí)不會(huì)發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)，電能的存儲(chǔ)或釋放都是通過(guò)靜電場(chǎng)建立的物理過(guò)程完成的）三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ：電子運(yùn)輸電子運(yùn)輸在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)（如果不是所有的話）物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。 石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)=2e²/h,6e&sup2

16、;/h,10e²/h. 為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量”。 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ：導(dǎo)電性導(dǎo)電性石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干

17、擾也非常小。 富勒烯（左）和碳納米管（中）都可以看作是由單層的石墨烯通過(guò)某種方式卷成的，富勒烯（左）和碳納米管（中）都可以看作是由單層的石墨烯通過(guò)某種方式卷成的， 而石墨（右）是由多層石墨烯通過(guò)范德華力的聯(lián)系堆疊成的而石墨（右）是由多層石墨烯通過(guò)范德華力的聯(lián)系堆疊成的三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ： 石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。 石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石

18、墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ：機(jī)械特性機(jī)械特性石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，他們選取了一些之間在1020微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在11.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。 用用AFM探針在石墨烯上探針在石墨烯上“書(shū)寫(xiě)書(shū)寫(xiě)”納米線納米線 研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距

19、離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。 三、石墨烯特性三、石墨烯特性電子的相互作用電子的相互作用利用世界上最強(qiáng)大的人造輻射源，美國(guó)加州大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯特性新秘密：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用。 科學(xué)家借助了美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源（A

20、LS）”電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度的1億倍?？茖W(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。 石墨烯的蜂窩晶格石墨烯的蜂窩晶格三、石墨烯特性三、石墨烯特性化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)我們至今關(guān)于石墨烯化學(xué)知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來(lái)看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來(lái)推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)將面臨重重困難。

21、 石墨烯實(shí)例石墨烯實(shí)例 照片：?jiǎn)螌邮┥L(zhǎng)在銅箔表面 照片：石墨烯生長(zhǎng)于4“硅片表面 基材為Ni/SiO2/Si 石墨烯結(jié)果石墨烯結(jié)果 SEM： 單層石墨烯在銅箔表面 Raman光譜：?jiǎn)螌邮?四、制備方法四、制備方法微機(jī)械分離法微機(jī)械分離法最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來(lái)。2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點(diǎn)是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來(lái)篩選出單層的石墨烯薄片

22、，其尺寸不易控制，無(wú)法可靠地制造長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。 通過(guò)粘貼Scotch膠帶的“機(jī)械剝離法”制作石墨烯的順序四、制備方法四、制備方法取向附生法取向附生法晶膜生長(zhǎng)晶膜生長(zhǎng)取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1 1 5 0 下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850后,之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“ 孤島” 布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石 墨烯。第一層覆蓋 8 0 %后，第二層開(kāi)始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石

23、墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影 響碳層的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。 中國(guó)科學(xué)院物理研究所利用含碳的釕單晶在超高真空環(huán)境下經(jīng)高溫中國(guó)科學(xué)院物理研究所利用含碳的釕單晶在超高真空環(huán)境下經(jīng)高溫退火處理可以使碳元素向晶體表面偏析形成外延單層石墨烯薄膜退火處理可以使碳元素向晶體表面偏析形成外延單層石墨烯薄膜四、制備方法四、制備方法加熱加熱 SiC法法該法是通過(guò)加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過(guò)電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完

24、全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至12501450后恒溫1min20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過(guò)幾年的探索，Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。 利用NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所正在開(kāi)發(fā)的SiC熱分解法制作的SiC基板上的石墨烯（右），實(shí)際分布有1多層的石墨烯四、制備方法四、制備方法 包信和等開(kāi)發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過(guò)高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)無(wú)支持（Free standing）石墨烯材料的新途徑。通過(guò)對(duì)原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、

25、對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用非常重要的制備方法。 四、制備方法四、制備方法化學(xué)解理法化學(xué)解理法 化學(xué)解理法是將氧化石墨通過(guò)熱還原的方法制備石墨烯的方法，氧化石墨層間的含氧官能團(tuán)在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，迅速放出氣體，使得氧化石墨層被還原的同時(shí)解理開(kāi)，得到石墨烯。這是一種重要的制備石墨烯的方法，天津大學(xué)楊全紅等用低溫化學(xué)解理氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯。 上圖為高定向熱解石墨（HOPG），下圖為從HOPG撕出來(lái)，置于厚度300 nm的二氧化矽表面的石墨片烯。左下角淺色三角形為單層石墨片烯，其余為1 - 5層不等。四、制備方法四、制備方法化學(xué)還原法化學(xué)還原法 化學(xué)還原法是將氧化石墨與水以1 mg/mL

26、的 比例混合， 用超聲波振蕩至溶液清晰無(wú)顆粒狀物質(zhì)，加入適量肼在1 0 0回流2 4 h ，產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過(guò)濾、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化學(xué)分散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。五、應(yīng)用前景五、應(yīng)用前景在納電子器件方面的應(yīng)用在納電子器件方面的應(yīng)用2005年，Geim研究組3 J與Kim研究組H 發(fā)現(xiàn)，室溫下石墨烯具有l(wèi)0倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10 am /Vs)，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300 K下可達(dá)03 m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管成為可能。

27、較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢(shì)。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。 貝爾實(shí)驗(yàn)室的貝爾實(shí)驗(yàn)室的Fulton等人制成的等人制成的128Mbit石墨烯單電子存儲(chǔ)器芯片照片石墨烯單電子存儲(chǔ)器芯片照片五、應(yīng)用前景五、應(yīng)用前景：代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被

28、要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。 超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片-目前世上電阻率最小的材料，電阻率僅為10-6 cm五、應(yīng)用前景五、應(yīng)用前景： 光子傳感器光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10月，IBM的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待

29、的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的透光性。 氧化石墨烯氧化石墨烯四、石墨烯的應(yīng)用四、石墨烯的應(yīng)用Dikin等制成了無(wú)支撐氧化石墨烯紙狀材料。氧化石墨烯片是以一種接近平行的方式相互連接或瓦片式連接在一起形成的，拉伸試驗(yàn)表明氧化石墨烯紙具有較高的拉伸模量和斷裂強(qiáng)度，其平均模量為32 GPa，性能與用類似方法制備的碳納米管布基紙相當(dāng)。微電子領(lǐng)域微電子領(lǐng)域 微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。 曼徹斯特的小組采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)制作出晶體管。從一小片石墨烯片層開(kāi)始，采用電子

30、束曝光在材料上刻出溝道。在被稱為中央島的中部位置保持一個(gè)帶有微小圓籠的量子點(diǎn)。電壓可以改變這些量子點(diǎn)的電導(dǎo)率，這樣就可以像標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管那樣儲(chǔ)存邏輯態(tài)。可在26GHz頻率下運(yùn)作可望使該種材料超越硅的極限，達(dá)到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)領(lǐng)域。 雙層石墨烯可降低元器件電噪聲雙層石墨烯可降低元器件電噪聲 美國(guó)IBM公司TJ沃森研究中心的科學(xué)家，最近攻克了在利用石墨構(gòu)建納米電路方面最令人困擾的難題，即通過(guò)將兩層石墨烯片疊加，可以將元器件的電噪聲降低10倍，由此可以大幅改善晶體管的性能，這將有助于制造出比硅晶體管速度快、體積小、能耗低的石墨烯晶體管。 石墨烯可作為宇宙學(xué)研究的

31、平臺(tái)石墨烯可作為宇宙學(xué)研究的平臺(tái) 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學(xué)中一個(gè)重要的無(wú)量綱數(shù)，用希臘字母表示，它與量子電動(dòng)力學(xué)有著緊密的淵源。它將電動(dòng)力學(xué)中的電荷e、量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)h、相對(duì)論中的光速c聯(lián)系起來(lái)，定義為=(e2)/(20*h*c)(其中 e 是電子的電荷， 0 是真空介電常數(shù)， h 是普朗克常數(shù)， c 是真空中的光速).而其大小為什么約等于1/137至今尚未得到令人信服的回答。 Geim與Rahul.Nair和Peter.Blake兩位博士一道，首次創(chuàng)造出巨大的懸浮石墨烯薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫?，可以吸收大約2.3%的可見(jiàn)光。而相關(guān)的理論研究也表明，如

32、果將這一數(shù)字除以圓周率，就會(huì)得到較為精確的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值。美科學(xué)家制出美科學(xué)家制出4寸石墨烯晶圓寸石墨烯晶圓五、應(yīng)用前景五、應(yīng)用前景：減少噪音減少噪音美國(guó)IBM 宣布，通過(guò)重疊2層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f 石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過(guò)與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過(guò)在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音、噪聲。 五、應(yīng)用前景五、應(yīng)用前景：其它應(yīng)用其它應(yīng)用 石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在

33、石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng),而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極,使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。 從左到右：在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為從左到右：在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3.1英寸的區(qū)英寸的區(qū)域；組裝好的石墨烯觸摸屏面板；接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏域；組裝好的石墨烯觸摸屏面板；接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏中國(guó)科學(xué)院上海分院的

34、科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)超級(jí)有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞中國(guó)科學(xué)院上海分院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)超級(jí)有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞中國(guó)的科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯的紙上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類細(xì)胞則不會(huì)受損。中國(guó)的科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯的紙上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類細(xì)胞則不會(huì)受損。 利用這一點(diǎn)可以利用它來(lái)做繃帶、食品包裝甚至抗菌利用這一點(diǎn)可以利用它來(lái)做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫恤衫用石墨烯做的用石墨烯做的 LECs(光電化學(xué)電池光電化學(xué)電池)未來(lái)的未來(lái)的“太空天梯太空天梯”六、石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)他們?cè)菐熒?，現(xiàn)在是同事，他們都出

35、生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，也曾一同在荷蘭學(xué)習(xí)和研究，最后他們又一起在英國(guó)制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個(gè)碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導(dǎo)體，石墨烯比目前任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好。 2010年年10月月5日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)

36、家安德烈予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈 海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑Z沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯磕┎牧戏矫娴淖吭窖芯?。六、石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 海姆和諾沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終會(huì)替代硅。由于成果要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說(shuō)：“今天早上聽(tīng)說(shuō)這個(gè)消息時(shí)，我非常驚喜，第一個(gè)想法就是奔到實(shí)驗(yàn)室告訴整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)?！倍Ｄ穭t表示，“我從沒(méi)想過(guò)獲諾貝爾獎(jiǎng)，昨天晚上睡

37、得很踏實(shí)”。 海姆認(rèn)為，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的有兩種人：一種是獲獎(jiǎng)后就停止了研究，至此終老一生再無(wú)成果；一種是生怕別人認(rèn)為他是偶然獲獎(jiǎng)的，因此在工作上倍加努力?！拔以敢獬蔀榈诙N人，當(dāng)然我會(huì)像平常一樣走進(jìn)辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活?！焙Ｄ罚ㄗ螅┖椭Z沃肖洛夫在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)海姆（左）和諾沃肖洛夫在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)七、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)狀況七、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)狀況 石墨烯產(chǎn)業(yè)還在量產(chǎn)探索階段，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種成熟的方法能夠批量生產(chǎn)性能優(yōu)質(zhì)的石墨烯。 目前氧化石墨還原法相對(duì)更加容易量產(chǎn)，是生產(chǎn)石墨烯的主流制備工藝。不過(guò)通過(guò)氧化還原法，容易使得石墨烯的分子結(jié)構(gòu)收到破壞，而降低了石墨烯的性能；另外，氧化還原法得到的石墨烯

38、溶液中石墨烯非常容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使得產(chǎn)品很多的性能與理論值有很大差距。 石墨烯另一個(gè)相對(duì)較成熟的制備方法是氣相沉積法。但仍然很多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，如：使用氣相沉積法所得的石墨烯相對(duì)機(jī)械剝離法制備的石墨烯難以運(yùn)輸；一些使用氣相沉積法所得石墨烯的屬性（量子霍爾效應(yīng)）并沒(méi)有在氣象沉積法制備的石墨烯中發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明氣相沉積法可能會(huì)影響石墨烯的特性；而且使用氣相沉積法得到的石墨烯片只能達(dá)到平方厘米的量級(jí)，難以滿足石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積法：生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到化學(xué)氣相沉積法：生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜的過(guò)程示意圖薄膜的過(guò)程示意圖石墨烯的目前還不具備工業(yè)化生產(chǎn)的條件，各國(guó)都在針對(duì)石墨烯的制備進(jìn)行積極的探索，也不斷的有新的制備方法出現(xiàn)，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)2015 年前就能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的規(guī)?；慨a(chǎn)。國(guó)內(nèi)的供需情況石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒(méi)有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前仍沒(méi)有一種可以應(yīng)用石墨烯的產(chǎn)品能夠規(guī)?；a(chǎn)。對(duì)石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機(jī)構(gòu)的研究使用。石墨烯的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性及傳熱性、超大的比表面積等特性能夠