石墨烯研究報告PPT

人類目前最強功能材料--石墨烯比鉆石還硬的材料----石墨烯

一、石墨烯概念二、發(fā)展簡史三、石墨烯特性四、制備方法五、應用前景六、石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學獎七、國內(nèi)生產(chǎn)狀況八、石墨烯實例

目錄一、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度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當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：石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯市場售價大約5000元/克，比黃金貴15倍，廣泛用于軍事、電子工業(yè)領域。石墨烯在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。石墨烯的來源。常見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。當把石墨片剝成單層之后，形成的一個碳原子厚度的單層就是石墨烯，是碳的二維結構，厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。英國曼徹斯特大學的兩位科學家科斯提亞?諾沃謝夫和安德烈?蓋姆因為首先發(fā)現(xiàn)石墨烯獲得2010年度的諾貝爾物理學獎。

石墨烯的應用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。電子顯微鏡下觀測的石墨烯片，其碳原子間距僅0.14納米韓國成均館大學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。

石墨烯的材質優(yōu)點總結：其導電性能比銅還好幾倍；堅硬比鋼鐵大10倍而且極輕，由此可見可用于飛機制造來減少重量與避彈衣制造。

石墨烯的應用前景：太空電梯纜線、替代硅生產(chǎn)超級計算機、光子傳感器、液晶顯示材料、新一代太陽能電池等領域。

瑞典和美國的科學家使用神奇的石墨烯材料的發(fā)光面板，總有一天也許會讓基本的燈泡變成多余的。

薄得像紙一樣的iPhone概念手機二、發(fā)展簡史：石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·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。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過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)的領域已為時不遠了。石墨烯的出現(xiàn)在科學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電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領域引發(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)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導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了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。普通電容器和超級電容器結構（超級電容器不同于電池，在充放電時不會發(fā)生化學反應，電能的存儲或釋放都是通過靜電場建立的物理過程完成的）三、石墨烯特性

：電子運輸在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)（如果不是所有的話）物理學家認為，熱力學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。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲。

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=2e²/h,6e²/h,10e²/h....為量子電導的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。三、石墨烯特性

：導電性石墨烯結構非常穩(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，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，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某種方式卷成的，而石墨（右）是由多層石墨烯通過范德華力的聯(lián)系堆疊成的三、石墨烯特性

：石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載子”(electricchargecarrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。石墨烯有相當?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)三、石墨烯特性

：機械特性石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。在試驗過程中，他們選取了一些之間在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。

用AFM探針在石墨烯上“書寫”納米線研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jù)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。三、石墨烯特性電子的相互作用利用世界上最強大的人造輻射源，美國加州大學、哥倫比亞大學和勞倫斯·伯克利國家實驗室的物理學家發(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烈的相互作用。科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源（ALS）”電子同步加速器。這個加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當于醫(yī)學上X射線強度的1億倍?？茖W家利用這一強光源觀測發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。石墨烯的蜂窩晶格三、石墨烯特性化學性質我們至今關于石墨烯化學知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質類似于石墨，可利用石墨來推測石墨烯的性質。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要石墨烯的化學性質得到廣泛關注有一個不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學方法的樣品。這一點未得到解決，研究石墨烯化學將面臨重重困難。四、制備方法微機械分離法最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。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行摩擦，體相石墨的表面會產(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。但缺點是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應用的石墨薄片樣本。通過粘貼Scotch膠帶的“機械剝離法”制作石墨烯的順序四、制備方法取向附生法—晶膜生長取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃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浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80%后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的交互作用，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)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。另外PeterW.Sutter等使用的基質是稀有金屬釕。中國科學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四、制備方法加熱SiC法該法是通過加熱單晶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全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，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物性科學基礎研究所正在開發(fā)的SiC熱分解法制作的SiC基板上的石墨烯（右），實際分布有1～多層的石墨烯四、制備方法包信和等開發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解規(guī)模制備高品質無支持（Freestanding）石墨烯材料的新途徑。通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實現(xiàn)對石墨烯結構和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、對實現(xiàn)石墨烯的實際應用非常重要的制備方法。四、制備方法化學解理法化學解理法是將氧化石墨通過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在一定溫度下發(fā)生反應，迅速放出氣體，使得氧化石墨層被還原的同時解理開，得到石墨烯。這是一種重要的制備石墨烯的方法，天津大學楊全紅等用低溫化學解理氧化石墨的方法制備了高質量的石墨烯。上圖為高定向熱解石墨（HOPG），下圖為從HOPG撕出來，置于厚度300nm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、制備方法化學還原法化學還原法是將氧化石墨與水以1mg/mL的比例混合，用超聲波振蕩至溶液清晰無顆粒狀物質，加入適量肼在100℃回流24h，產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過濾、烘干即得石墨烯。SashaStankovich等利用化學分散法制得厚度為1nm左右的石墨烯。五、應用前景在納電子器件方面的應用

2005年，Geim研究組[3J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10am/V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達0．3m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。貝爾實驗室的Fulton等人制成的128Mbit石墨烯單電子存儲器芯片照片五、應用前景：代替硅生產(chǎn)超級計算機科學家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導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(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。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。超級計算機芯片-目前世上電阻率最小的材料，電阻率僅為10-6Ω?cm五、應用前景：

光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，這種傳感器是用于