第五講-石墨烯

1、通向通向 的電梯的電梯比鉆石還硬的材料比鉆石還硬的材料 石墨烯石墨烯主要內(nèi)容主要內(nèi)容石墨烯材料的性質(zhì)石墨烯材料的性質(zhì)石墨烯材料的制備石墨烯材料的制備石墨烯材料的展望石墨烯材料的展望石墨烯材料的簡介石墨烯材料的簡介石墨烯材料的應(yīng)用石墨烯材料的應(yīng)用一、石墨烯材料的簡介一、石墨烯材料的簡介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，厚度只有0.335納米,僅為頭發(fā)的20萬分之一，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

2、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（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）的簡單方法。正是這種簡單的方法制備出來的簡單物質(zhì)石墨烯推翻了科學(xué)界的一個長久以來的錯誤認(rèn)識

3、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。 一直以來理論和實驗界都認(rèn)為嚴(yán)格的二維晶體無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，這一假設(shè)直到2004 年英國Manchester 大學(xué)的Geim等人發(fā)現(xiàn)單層石墨烯(graphene)后才得以改變。 他們采用一種簡單的“微機(jī)械力分裂法” (microfolitation) 制備了一種單原子厚度的碳膜, 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)域的一個研究熱點?？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

4、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)胞會使石墨烯翹曲; 12個五角元胞的會形成富勒烯。碳納米管也被認(rèn)為是卷成圓桶的石墨烯; 可見，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）的基本單元二、石墨烯材料的制備二、石墨烯材料的制備1 1、機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法 通過機(jī)械力從新鮮石墨晶體的表面剝離石墨烯片層。2 2、加熱、加熱SiCSiC法法 通過加熱單晶SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層。Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層. 或是多層石墨烯 。據(jù)預(yù)測這種方法很可能

5、是未來大量制備石墨烯的主要方法之一。3 3、熱膨脹法、熱膨脹法4 4、化學(xué)法、化學(xué)法 1、機(jī)械剝離法、機(jī)械剝離法 以1mm 厚的高取向高溫?zé)峤馐珵樵?在石墨片上用干法氧等離子體刻蝕出一個5m 深的平臺(尺寸為20m 2mm ,大小不等) ,在平臺的表面涂上一層2m 厚的新鮮光刻膠,焙固后,平臺面附著在光刻膠層上,從石墨片上剝離下來。用透明光刻膠可重復(fù)地從石墨平臺上剝離出石墨薄片,再將留在光刻膠里的石墨薄片在丙酮中釋放出來,將硅片浸泡其中,提出,再用一定量的水和丙酮洗滌。這樣,一些石墨薄片就附著在硅片上。將硅片置于丙酮中,超聲除去較厚的石墨薄片,而薄的石墨薄片( d 10nm) 就被牢固地保

6、留在SiO2 表面上(這歸結(jié)于它們之間較強的范德華力和毛細(xì)管作用力) 。2、加熱、加熱SiC法法 首先,樣品經(jīng)過氧化或H2 刻蝕表面處理,然后在超高真空下(1 10 - 10 Torr) 經(jīng)電子轟擊加熱到1 000 ,除去氧化物,并用俄歇電子能譜(AES) 監(jiān)測,當(dāng)氧化物完全去除后, 加熱樣品至1 250 1 450 ,這時將形成石墨烯層,石墨烯的厚度與加熱溫度相關(guān),且可通過AES (入射能為3keV) 中Si(92eV) 和C (271eV) 的峰強度測定石墨烯的厚度。3、熱膨脹法用酸進(jìn)行插層反應(yīng)得到膨脹率較低的石墨鱗片，鱗片的平均厚度約為30m，橫向尺寸在400m左右，這種石墨鱗片就是可膨

7、脹石墨。將這種可膨脹石墨放入微波或高溫爐中加熱，就可以的到厚度為幾納米到幾十個納米的納米石墨片。4、化學(xué)法、化學(xué)法通過Diels2Alder反應(yīng)Pd 催化的Hagihara2Sonogashira,Buchwald2Hartwig 或KumadaPNegishi 偶合等先合成六苯并蔻(HBC) ,然后在FeCl3 或Cu (OTf) 2-AlCl3 作用下環(huán)化脫氫得到較大平面的石墨烯。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始碎裂前，它們每：在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100100納米距離上可承

8、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)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加據(jù)科學(xué)家們測算，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米長的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制米長的石墨烯斷裂。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牛的壓力才能將米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它其扯斷。換句話說，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。

9、將能承受大約兩噸重的物品。 打個比方說單層石墨烯的強度，就像把大象的重量打個比方說單層石墨烯的強度，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。 實驗證明實驗證明從鉛筆石墨中提取的石墨烯，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍，這項科學(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，來自中國的韋小丁和韓裔李琩鈷。Changgu Lee, et al.Graphene Measurement of theGraphene Measurement of theElas

10、tic Properties and Elastic Properties and Intrinsic Strength of Intrinsic Strength of MonolayerMonolayer Science 321321, 385 (2008);DreamsDreams：對于強度比世界上最好的鋼鐵還要高對于強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、超堅韌的防彈衣紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅韌的防彈衣，甚至還可以制作甚至還可以制作2300023000英里長伸入太空的電梯英里長伸

11、入太空的電梯，實現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢想。實現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢想。美國國家航空航天局（美國國家航空航天局（NASANASA）懸賞）懸賞400400萬美金萬美金鼓勵科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開發(fā)鼓勵科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開發(fā)實現(xiàn)人類夢想2 2、出色的電學(xué)性質(zhì)、出色的電學(xué)性質(zhì)電子運輸電子運輸 碳原子有四個價電子，這樣每個碳原子都貢獻(xiàn)一個未成鍵的電子，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，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 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，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來

12、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動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。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%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(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格間均存在著強烈的相互作用。 石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。 5 5

13、、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 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，拉伸試驗表明氧化石墨烯紙具有較高的拉伸模量和斷裂強度，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，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。

14、 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始，采用電子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帶有微小圓籠的量子點。電壓可以改變這些量子點的電導(dǎo)率，這樣就可以像標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管那樣儲存邏輯態(tài)。可在26GHz頻率下運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

15、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)研究的平臺石墨烯可作為宇宙學(xué)研究的平臺 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學(xué)中一個重要的無量綱數(shù)，用希臘字母表示，它與量子電動力學(xué)有著緊密的淵源。它將電動力學(xué)中的電荷e、量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)h、相對論中的光速c聯(lián)系起來，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)牟煌该鞫龋梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而相關(guān)的理論研究也表明，如果將這一數(shù)字除以圓周率，就會得到較為精確的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值。其它應(yīng)用其它應(yīng)用 pH傳感器 氣體分子傳感器 儲氧材料 藥物控制釋放 離子篩 作為電極材料五、石墨烯的展望五、石墨烯的展望 電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管 進(jìn)一步減小器件開關(guān)時間，THz超高頻率的