石墨烯簡單介紹

1、石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的準二維結構，是C的另外一種同素異形體。例如，在計算石墨和碳納米管特性時，通常都是從石墨烯這個基本結構單元出發(fā)的。石墨烯：基本結構單元實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨。1mm厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。1.發(fā)現歷程結構與性能石墨烯制備石墨烯應用石墨烯未來碳自然界萬事萬物中最重要的物質，也是構成有機生命體的主要元素。碳材料包括活性炭、碳黑、碳纖維、金剛石、石墨。隨著納米技術的發(fā)展，1985年由60個碳原子構成的“足球”分子C60（富勒烯）被發(fā)現，1991年由石墨層卷曲而成的一維管狀納

2、米結構：碳納米管被發(fā)現。2004年英國曼徹斯特大學兩位科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov在用機械剝離發(fā)制備出石墨烯。發(fā)現歷程 1947年Philip Wallace研究石墨烯電子結構 1956年J.W.McClure推到出相應的波函數 1960年Linus Pauling曾質疑過石墨烯的導電性 1984年G.W.Semenoff得出與波函數方程類似的狄拉克方程 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寫，得到石墨薄片 2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov在實驗室用機械剝離法

3、制備出石墨烯發(fā)現歷程理論物理學家認為單層石墨烯不存在發(fā)現歷程可惜的一步之遙發(fā)現歷程美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Rodney Rouff層嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個簡單的辦法可后的石墨烯，但他沒有對產物做進一步的檢測美國哥倫比亞大學的Philip Kim利用石墨制作了一個“納米鉛筆”，在一個表面上畫寫，并得到了石墨薄片，層數最低可達0層可以說，他們離石墨烯的發(fā)現只有一步之遙，諾貝爾獎的史冊極大可能匯銀他們的進一步工作而改寫。但命運之神最終沒有眷顧他們。Andre Geim和Konstantin Novoselov的諾貝爾獎發(fā)現歷程2004英國曼徹斯特大學Andre Geim和他的徒

4、弟Konstantin Novoselov在實驗室用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。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，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。因此兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。Andre Geim和Konstantin Novoselov同Andre Geim和Konstantin Novoselov工作更接近的是美國喬亞理工學院的Walt de Heer外延生長法石墨烯的研究。其在2010年11月17日寫信給諾貝爾獎委員會，并在一篇題為Elary

5、development of graphene electronics的補充文章中詳細綜述了與石墨烯相關的研究，并提供了自己在2003年10月向美國自然科學基金委遞交的一份與石墨烯相關的基金申請書和200年申請的一項專利（Patterned thin film graphite devices and method for making same,2006年獲批）發(fā)現歷程與碳納米管發(fā)現相似的插曲然而，科學史告訴我們：非常接近真理和真正懂得其意義是兩回事。每一項重要的理論都有可能曾被前人提出過。因此，一項開創(chuàng)性成果應歸功于那些做出原創(chuàng)性成果并深刻認識該工作重大意義的人。2005年，在同一時期的N

6、ature雜志上，蓋姆等人和菲利普金小組同時證明單層石墨烯具有同理論相符的電子特性。這一點同碳納米管的發(fā)現又一次不謀而合。單壁碳納米管也是在朵壁碳納米管被發(fā)現兩年后于1993年被發(fā)現者本人Iijima和IBM小組成功制備出來的。發(fā)現歷程石墨烯是指僅有一個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構。石墨烯中碳-碳鍵長0.142nm。每個晶格內有三個 鍵，連接十分牢固，形成了穩(wěn)定的六邊形狀。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構，厚度為0.35nm,約為頭發(fā)直徑的二十萬分之一。石墨烯的結構非常穩(wěn)定，碳原子間的連接極其柔韌。收到外力時，碳原子面發(fā)

7、生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應外力，從而保證了自身的結構穩(wěn)定性。碳六邊形石墨烯納米條帶在結構上，石墨烯和碳納米管類比?？筛鶕吘壧兼湹牟煌煞譃殇忼X形和扶手椅型。鋸齒形和扶手椅型的石墨烯納米條帶呈現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體型。2結構與性能鋸齒型扶手椅型石墨烯具有優(yōu)異的光學性質。理論和實驗結構表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透光率為97.7%。如圖，從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率一次相差2.3%，因此可根據石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數。即石墨烯的透光性與其厚度相關，與波長無關。結構與性能光學

8、性能另外，當入射光的強度超過某一個臨界值時，石墨烯對其的的吸收會達到飽和，這一非線性光學行為稱為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強光輻照下，由于其寬波吸收和零帶隙的特點，石墨烯會慢慢接近飽和吸收。利用這一性質，石墨烯可用于超快速光子學，如光纖激光器。石墨烯的透光性石墨烯是已知材料中強度和硬度最高的晶體結構。其和分別為125GPa和1.1TPa。石墨烯的（抗拉強度）為42N/M2。力學性能普通鋼的強度極限大多分布在2501200MPa范圍內，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度極限0.0840.40N/m。由此可知，研究人員發(fā)現

9、，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算，這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果物理學家們能制取出厚度相當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，那么它將能承受大約兩噸重的物品。結構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。其電導率可達106S/m,，是室溫下導電性最佳的材料。石墨烯的每個碳原子均為，并貢獻剩余一個p軌道電子形成大鍵， 電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導電性。由于原子

10、間作用力非常強，常溫下，及時周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子收到的干擾也小。結構與性能電學性能熱學性能 單層石墨烯的,比碳納米管的而傳 導率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率只有400Wmk 隨著石墨烯層數的增加，其熱傳導率逐漸下降；當石墨烯從2層增 至4層時，其熱導率從2800Wmk降低至1300Wmk；當層數達到5-8 層，減小到石墨的熱導率 單層石墨烯的導熱率與片層寬度、缺陷密度和邊緣的無序性密切 相關 在室溫以上，導熱率隨著溫度的增加而逐漸減小 石墨烯片層沿平年方向導熱具有各向異性的特性。結構與性能1.化學氣相沉積法2.機械玻璃

11、法3.外延生長發(fā)4.氧化還原法石墨烯制備制備方法化學氣相沉積法（CVD） 碳 源：有機氣體（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）反應裝置：電阻爐（如圖） （原理：將有機氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機氣體脫氫在基底表面形成石墨烯石墨烯制備化學氣相沉積法（CVD）1.準備色譜純（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，密封反應室；3.通入氬氣，流量為200ml/min，加熱反應室溫度至1000C；4.保持氬氣流量200ml/min不變，保溫一段時間，對金屬箔進行高溫預熱處理；5.開啟精密流量泵，使反應溶液通

12、過毛細血管注入反應室，溶液進給速度為20ul/min，反應時間為5min；6.反應完畢，停止進給反應溶液，將金屬箔快速移動到爐口，關閉電路，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面反復剝離而獲得石墨烯，此方法簡單，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。機械剝離法：石墨烯制備外延生長法：原理是在SiC晶體結構上通過晶格匹配生長出石墨烯晶體的方法，其原理是通過超低壓高真空、高溫加熱單晶SiC脫除Si，C原子重構生成石墨烯片層。氧化還原法氧化還原法的機理是：1.將石墨進行氧化處理，改變石墨層片的自由電子對，對其表

13、面進行含氧官能團（如羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基）的修飾，這些官能團可以降低石墨層片間的范德華力，增強石墨的親水性，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.運用化學還原、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用晶體管電化學電容器聚合物基石墨烯復合材料石墨烯石墨烯電子器件光學器件太陽能電池復合材料石墨烯紙鋰離子電池儲能材料石墨烯應用石墨烯在手機中的應用2013年2月5日，諾基亞正式宣布成為石墨烯旗艦聯盟（Graphene Flagship Consortium）的一員，并從歐盟的未來與新興技術組織(FET)獲得了13.5億美元研究經費，該經

14、費將用于石墨烯材料(Graphene)的研究。諾基亞對石墨烯材料的應用設想為：1、提升現有手機的性能、降低成本，例如；2、在未來的概念手機設計中（如諾基亞一直在開發(fā)的柔性手機），。此外，諾基亞還計劃利用石墨烯研發(fā)觸覺反饋設備，當手機屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片，觸摸屏幕時會有摸到絲綢的順滑感覺。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。高頻電路是現代電子工業(yè)的領頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，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，高頻提升的發(fā)展前景似乎

15、變得無限廣闊了。 這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯應用代替硅生產超級計算機石墨烯和，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，。由于氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域 。通過化學氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達1.71%能量轉換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉換效率的55.2%。石墨烯應用透明電極因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其它材料具有更優(yōu)良的透光性。透明的

16、石墨烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽能電池，美國魯特格大學開發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術，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，可用于取代透明導電的ITO電極用于有機太陽能電池。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。美國南加州大學的研究人員開發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制造出有機太陽能電池。石墨烯應用用于太陽能電池研究成果2015年4月，全球首批量產石墨烯手機在重慶問世。圖為中科院重慶綠色智能技術研究院的科技工作者在展示可彎折的石墨烯觸摸屏（右）和首批量產的石墨烯手機。石墨烯未來由

17、于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學家甚至預言其將“徹底改變21世紀”。曼徹斯特大學副校長Colin Bailey教授稱：“石墨烯有可能徹底改變數量龐大的各種應用，從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片?！?013年初，美國加州大學洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數秒內為手機甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。1 微型石墨烯超級電容技術突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。當前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產品的商業(yè)應用。以后只需要常見的DVD刻錄機，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可