石墨烯簡(jiǎn)單介紹

1、石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，是C的另外一種同素異形體。例如，在計(jì)算石墨和碳納米管特性時(shí)，通常都是從石墨烯這個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元出發(fā)的。石墨烯：基本結(jié)構(gòu)單元實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨。1mm厚的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。1.發(fā)現(xiàn)歷程結(jié)構(gòu)與性能石墨烯制備石墨烯應(yīng)用石墨烯未來(lái)碳自然界萬(wàn)事萬(wàn)物中最重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的主要元素。碳材料包括活性炭、碳黑、碳纖維、金剛石、石墨。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，1985年由60個(gè)碳原子構(gòu)成的“足球”分子C60（富勒烯）被發(fā)現(xiàn)，1991年由石墨層卷曲而成的一維管狀納

2、米結(jié)構(gòu)：碳納米管被發(fā)現(xiàn)。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov在用機(jī)械剝離發(fā)制備出石墨烯。發(fā)現(xiàn)歷程 1947年P(guān)hilip Wallace研究石墨烯電子結(jié)構(gòu) 1956年J.W.McClure推到出相應(yīng)的波函數(shù) 1960年Linus Pauling曾質(zhì)疑過(guò)石墨烯的導(dǎo)電性 1984年G.W.Semenoff得出與波函數(shù)方程類(lèi)似的狄拉克方程 1987年首席使用“graphene”指代單層石墨烯 Philip Kim利用石墨在表面上畫(huà)寫(xiě)，得到石墨薄片 2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov在實(shí)驗(yàn)室用機(jī)械剝離法

3、制備出石墨烯發(fā)現(xiàn)歷程理論物理學(xué)家認(rèn)為單層石墨烯不存在發(fā)現(xiàn)歷程可惜的一步之遙發(fā)現(xiàn)歷程美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Rodney Rouff層嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個(gè)簡(jiǎn)單的辦法可后的石墨烯，但他沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物做進(jìn)一步的檢測(cè)美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的Philip Kim利用石墨制作了一個(gè)“納米鉛筆”，在一個(gè)表面上畫(huà)寫(xiě)，并得到了石墨薄片，層數(shù)最低可達(dá)0層可以說(shuō)，他們離石墨烯的發(fā)現(xiàn)只有一步之遙，諾貝爾獎(jiǎng)的史冊(cè)極大可能匯銀他們的進(jìn)一步工作而改寫(xiě)。但命運(yùn)之神最終沒(méi)有眷顧他們。Andre Geim和Konstantin Novoselov的諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)歷程2004英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre Geim和他的徒

4、弟Konstantin Novoselov在實(shí)驗(yàn)室用一種非常簡(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。因此兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Andre Geim和Konstantin Novoselov同Andre Geim和Konstantin Novoselov工作更接近的是美國(guó)喬亞理工學(xué)院的Walt de Heer外延生長(zhǎng)法石墨烯的研究。其在2010年11月17日寫(xiě)信給諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)，并在一篇題為Elary

5、development of graphene electronics的補(bǔ)充文章中詳細(xì)綜述了與石墨烯相關(guān)的研究，并提供了自己在2003年10月向美國(guó)自然科學(xué)基金委遞交的一份與石墨烯相關(guān)的基金申請(qǐng)書(shū)和200年申請(qǐng)的一項(xiàng)專(zhuān)利（Patterned thin film graphite devices and method for making same,2006年獲批）發(fā)現(xiàn)歷程與碳納米管發(fā)現(xiàn)相似的插曲然而，科學(xué)史告訴我們：非常接近真理和真正懂得其意義是兩回事。每一項(xiàng)重要的理論都有可能曾被前人提出過(guò)。因此，一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性成果應(yīng)歸功于那些做出原創(chuàng)性成果并深刻認(rèn)識(shí)該工作重大意義的人。2005年，在同一時(shí)期的N

6、ature雜志上，蓋姆等人和菲利普金小組同時(shí)證明單層石墨烯具有同理論相符的電子特性。這一點(diǎn)同碳納米管的發(fā)現(xiàn)又一次不謀而合。單壁碳納米管也是在朵壁碳納米管被發(fā)現(xiàn)兩年后于1993年被發(fā)現(xiàn)者本人Iijima和IBM小組成功制備出來(lái)的。發(fā)現(xiàn)歷程石墨烯是指僅有一個(gè)原子尺寸厚的單層石墨層片，由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳-碳鍵長(zhǎng)0.142nm。每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè) 鍵，連接十分牢固，形成了穩(wěn)定的六邊形狀。形象來(lái)說(shuō)，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，厚度為0.35nm,約為頭發(fā)直徑的二十萬(wàn)分之一。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳原子間的連接極其柔韌。收到外力時(shí)，碳原子面發(fā)

7、生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。碳六邊形石墨烯納米條帶在結(jié)構(gòu)上，石墨烯和碳納米管類(lèi)比。可根據(jù)邊緣碳鏈的不同可分為鋸齒形和扶手椅型。鋸齒形和扶手椅型的石墨烯納米條帶呈現(xiàn)不同的電子傳輸特性。鋸齒形石墨烯條帶通常為金屬型；而扶手椅型石墨烯條帶則可能為金屬型或半導(dǎo)體型。2結(jié)構(gòu)與性能鋸齒型扶手椅型石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見(jiàn)光，即透光率為97.7%。如圖，從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見(jiàn)光透射率一次相差2.3%，因此可根據(jù)石墨烯薄膜的可見(jiàn)光透射率來(lái)估算其層數(shù)。即石墨烯的透光性與其厚度相關(guān)，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)與性能光學(xué)

8、性能另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過(guò)某一個(gè)臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的的吸收會(huì)達(dá)到飽和，這一非線(xiàn)性光學(xué)行為稱(chēng)為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強(qiáng)光輻照下，由于其寬波吸收和零帶隙的特點(diǎn)，石墨烯會(huì)慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué)，如光纖激光器。石墨烯的透光性石墨烯是已知材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。其和分別為125GPa和1.1TPa。石墨烯的（抗拉強(qiáng)度）為42N/M2。力學(xué)性能普通鋼的強(qiáng)度極限大多分布在2501200MPa范圍內(nèi)，即0.251091.2109N/m2。如果鋼具有同石墨烯一樣的厚度（約0.335nm），則可推算出其二維強(qiáng)度極限0.0840.40N/m。由此可知，研究人員發(fā)現(xiàn)

9、，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距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微米長(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(huà)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。結(jié)構(gòu)與性能電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，,約為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達(dá)106S/m,，是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料。石墨烯的每個(gè)碳原子均為，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成大鍵， 電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子

10、間作用力非常強(qiáng)，常溫下，及時(shí)周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中的電子收到的干擾也小。結(jié)構(gòu)與性能電學(xué)性能熱學(xué)性能 單層石墨烯的,比碳納米管的而傳 導(dǎo)率3000-3500Wmk還要高，相比之下，工業(yè)界中被廣泛使用的散 熱 材料金屬銅的熱傳導(dǎo)率只有400Wmk 隨著石墨烯層數(shù)的增加，其熱傳導(dǎo)率逐漸下降；當(dāng)石墨烯從2層增 至4層時(shí)，其熱導(dǎo)率從2800Wmk降低至1300Wmk；當(dāng)層數(shù)達(dá)到5-8 層，減小到石墨的熱導(dǎo)率 單層石墨烯的導(dǎo)熱率與片層寬度、缺陷密度和邊緣的無(wú)序性密切 相關(guān) 在室溫以上，導(dǎo)熱率隨著溫度的增加而逐漸減小 石墨烯片層沿平年方向?qū)峋哂懈飨虍愋缘奶匦?。結(jié)構(gòu)與性能1.化學(xué)氣相沉積法2.機(jī)械玻璃

11、法3.外延生長(zhǎng)發(fā)4.氧化還原法石墨烯制備制備方法化學(xué)氣相沉積法（CVD） 碳 源：有機(jī)氣體（如甲烷、乙烯 等）、液體 （乙醇）或固態(tài)（樟腦、蔗糖）基 底：金屬箔（銅箔、鎳箔等）反應(yīng)裝置：電阻爐（如圖） （原理：將有機(jī)氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機(jī)氣體脫氫在基底表面形成石墨烯石墨烯制備化學(xué)氣相沉積法（CVD）1.準(zhǔn)備色譜純（99.9%）的乙醇溶液為碳源；2.將金屬箔放入電路的加熱區(qū)中央，密封反應(yīng)室；3.通入氬氣，流量為200ml/min，加熱反應(yīng)室溫度至1000C；4.保持氬氣流量200ml/min不變，保溫一段時(shí)間，對(duì)金屬箔進(jìn)行高溫預(yù)熱處理；5.開(kāi)啟精密流量泵，使反應(yīng)溶液通

12、過(guò)毛細(xì)血管注入反應(yīng)室，溶液進(jìn)給速度為20ul/min，反應(yīng)時(shí)間為5min；6.反應(yīng)完畢，停止進(jìn)給反應(yīng)溶液，將金屬箔快速移動(dòng)到爐口，關(guān)閉電路，保持氬氣流量為200ml/min，直至爐溫冷卻至300 C以下。操作步驟：石墨烯制備用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，此方法簡(jiǎn)單，但制得的石墨烯寬度一般在幾微米至幾十微米，甚至是毫米量級(jí)。機(jī)械剝離法：石墨烯制備外延生長(zhǎng)法：原理是在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過(guò)晶格匹配生長(zhǎng)出石墨烯晶體的方法，其原理是通過(guò)超低壓高真空、高溫加熱單晶SiC脫除Si，C原子重構(gòu)生成石墨烯片層。氧化還原法氧化還原法的機(jī)理是：1.將石墨進(jìn)行氧化處理，改變石墨層片的自由電子對(duì)，對(duì)其表

13、面進(jìn)行含氧官能團(tuán)（如羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基）的修飾，這些官能團(tuán)可以降低石墨層片間的范德華力，增強(qiáng)石墨的親水性，便于分散在水中；2.將氧化石墨在水中剝離，形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯膠體；3.運(yùn)用化學(xué)還原、熱還原和催化還原等方法將氧化石墨還原成石墨烯石墨烯制備石墨烯應(yīng)用晶體管電化學(xué)電容器聚合物基石墨烯復(fù)合材料石墨烯石墨烯電子器件光學(xué)器件太陽(yáng)能電池復(fù)合材料石墨烯紙鋰離子電池儲(chǔ)能材料石墨烯應(yīng)用石墨烯在手機(jī)中的應(yīng)用2013年2月5日，諾基亞正式宣布成為石墨烯旗艦聯(lián)盟（Graphene Flagship Consortium）的一員，并從歐盟的未來(lái)與新興技術(shù)組織(FET)獲得了13.5億美元研究經(jīng)費(fèi)，該經(jīng)

14、費(fèi)將用于石墨烯材料(Graphene)的研究。諾基亞對(duì)石墨烯材料的應(yīng)用設(shè)想為：1、提升現(xiàn)有手機(jī)的性能、降低成本，例如；2、在未來(lái)的概念手機(jī)設(shè)計(jì)中（如諾基亞一直在開(kāi)發(fā)的柔性手機(jī)），。此外，諾基亞還計(jì)劃利用石墨烯研發(fā)觸覺(jué)反饋設(shè)備，當(dāng)手機(jī)屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片，觸摸屏幕時(shí)會(huì)有摸到絲綢的順滑感覺(jué)。石墨烯是目前已知的材料。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

15、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。石墨烯應(yīng)用代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)石墨烯和，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，。由于氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域 。通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽(yáng)極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。石墨烯應(yīng)用透明電極因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其它材料具有更?yōu)良的透光性。透明的

16、石墨烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽(yáng)能電池，美國(guó)魯特格大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù)，這是一種幾厘米寬、1-5mm厚的薄膜，石墨烯薄膜是一種單原子碳膜，可用于取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽(yáng)能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作的更快、更省電。美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制造出有機(jī)太陽(yáng)能電池。石墨烯應(yīng)用用于太陽(yáng)能電池研究成果2015年4月，全球首批量產(chǎn)石墨烯手機(jī)在重慶問(wèn)世。圖為中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的科技工作者在展示可彎折的石墨烯觸摸屏（右）和首批量產(chǎn)的石墨烯手機(jī)。石墨烯未來(lái)由

17、于其獨(dú)有的特性，石墨烯被稱(chēng)為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。曼徹斯特大學(xué)副校長(zhǎng)Colin Bailey教授稱(chēng)：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片?！?013年初，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車(chē)充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。1 微型石墨烯超級(jí)電容技術(shù)突破可以說(shuō)是給電池帶來(lái)了革命性發(fā)展。當(dāng)前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。以后只需要常見(jiàn)的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價(jià)材料30分鐘就可