石墨烯精品PPT课件
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“天梯”作为一个科学概念，最早是于1895年、、、
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
2002年，美国登月计划参与者之 一的Brad Edward博士，在华盛顿 创建了Li集团，正在以齐奥尔科 夫斯基的构想来实现人类“一步 登天”的伟大梦想。
货仓结构想象图 平衡锤和天梯构造模型
碳石纳墨米烯管
既然要制造太空梯，用什么材料来建呢？
我们把天梯简化为一条具有均匀的横截面积和质量分布，两端均无 约束的长线，依靠地球重力绕地球相同角速度的圆周运动。由虚功 原理可算出：
L=140000km; 即理想状态下天梯的长度为14万千米。
接着我们来讨论天梯的建筑材料：
这个张力与线密度之比的数值远大于我们熟知的材料（例如钢为3 × 106,碳为2 ×106 ），而石墨烯，前面提到过，强度在钢的200倍以 上，可以达到6 × 107以上，因此可以说制造天梯从原理上是完全可 行的。
Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132
石墨烯在聚合 物中的相变。 a) 加热前； b) 加热后
石墨烯的基本知识
2004年，曼彻斯特大学Geim教授、Novoselov博 士和同事以微机械剥离法剥离层状石墨，发 现了二维碳原子平面结构——石墨烯
二维的碳 得来全不费功夫
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性 石墨烯
新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
G 制造天梯 的材料？
它是已发现强度最高的材料，比钻石还 坚硬，是最好的钢铁强度的100多倍。
八大预言
太空梯ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
千年虫
太空卫士
通讯卫星
太空核动力
预防地震
大脑备份
人体冷冻术
《天堂的喷泉》讲述了两 千年前，在赤道附近的岛 国塔普罗巴尼发生了一场 血腥的宫廷政变，暴君卡 利达萨借机上台。此人并 不满足于人间的欢乐，他 要在高山之巅建造天国， 向天神挑战，由是诞生了 “天堂的喷泉”。
远远超过了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的 情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面 就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散 射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中 电子受到的干扰也非常小。
现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡。氧化铟锡的 价格高、用量大、易碎、有毒性（与铅的毒性可比）。
用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4 千克的猫，而且是一只悬停在半空中的猫。
稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性 导电性最好的材料，载流子（电子）在其中的运动速度达到了光速的1/300，
= 10万
它是地球上已发现的最薄材料， 用肉眼是看不见石墨烯的。
2nm厚的石墨烯薄膜，透过率超过95%
氧化铟锡屏幕 VS 石墨烯屏幕
铟锡氧化物薄膜电阻的典型 值为40 Ω/sq，可见光透过率
大约为80%
用氧化还原法制备的还原氧 化 石 墨 薄 膜 厚 度 小 于 3nm ， 可见光透过率大于90%。
石墨烯的形态
研究发现, 当石墨的堆垛原子层数少于10 个单原子层时, 石墨层就会具有与普通三维石墨不同的电子结构. 一般将 10 层以下的石墨结构统称为石墨烯. 单层石墨烯的晶体结 构如下图 所示, 是由碳六元环组成的2D)周期蜂窝状点阵 结构, 厚度只有0.335nm, 相当于头发丝直径的1/2万.
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导为量子电导的奇数倍， 且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量 子力学，没有静质量。
= 100万
1 0个石墨烯调制器:传输速度可以达到1T
铜导线:传输速度最高可达100兆
石墨烯是电阻率最小的材料它在室温下传 递电子的速度比已知导体都快。
2004 年 首 次 制 成 石 墨 烯 材 料 。 这是目前世界上最薄的材料， 仅有一个原子厚。石墨烯的 发现推翻了所谓“热力学涨 落不允许二维晶体在有限温 度下自由存在”的原有认知， 震撼了整个物理界。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科 学家A. K. Geim和K. S. Novoselov，以表彰他们在石 墨烯材料方面的卓越研究。
-正改变世界未来
学 生： 导 师：
石墨烯
基本概念
石墨烯 神奇特性
石墨烯 新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
石墨烯存在哪里？
铅笔，谁都用过。小时候，学写字，胖乎乎的手 握着铅笔，在作业本上留下一个个歪歪扭扭的汉字。
铅笔笔芯的主要成分是石墨。所以，我们在作业本 上每划一笔，就是剥离了一层或者几层石墨片。 ，
网速提高一万倍，一秒钟可以下载十部电影
• 超级电容 • 场效应晶体管 • 发光二极管的电极材料 • 锂离子电池正极材料
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性
石墨烯 新闻时讯 石墨烯
➢ 石墨烯
C原子外层3个电子通过sp2杂化形 成强σ键(蓝)，相邻两个键之间夹 角约为120°；第4个电子为公共， 形成弱π键(紫)，为平面结构。
➢ 金刚石
C原子外层四个电子通过sp3杂化， 形成较强σ键，为四面体结构，相 邻两个键之间夹角约为109°。
石墨烯的基本知识
• 石墨烯的稳定性
石墨烯的结构非常稳定，carbon-carbon bond仅为1.42埃米;。石墨烯内部的 碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变 形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。 近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的解释，即石墨烯平面上 存在纳米级别的微观扭曲。
富勒烯，1996诺贝尔化学奖
• C元素的同素异形体 石墨（Graphite）——
层状结构，每一层中的碳按六方 环状排列，上下相邻层通过平行 网面方向相互位移后再叠置形成 层状结构，位移的方位和距离不 同就导致不同的多型结构。
金刚石（Diamond）—— 四面体结构，四个碳原子占 据四面体的顶点。
石墨烯的基本知识
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
2002年，美国登月计划参与者之 一的Brad Edward博士，在华盛顿 创建了Li集团，正在以齐奥尔科 夫斯基的构想来实现人类“一步 登天”的伟大梦想。
货仓结构想象图 平衡锤和天梯构造模型
碳石纳墨米烯管
既然要制造太空梯，用什么材料来建呢？
我们把天梯简化为一条具有均匀的横截面积和质量分布，两端均无 约束的长线，依靠地球重力绕地球相同角速度的圆周运动。由虚功 原理可算出：
L=140000km; 即理想状态下天梯的长度为14万千米。
接着我们来讨论天梯的建筑材料：
这个张力与线密度之比的数值远大于我们熟知的材料（例如钢为3 × 106,碳为2 ×106 ），而石墨烯，前面提到过，强度在钢的200倍以 上，可以达到6 × 107以上，因此可以说制造天梯从原理上是完全可 行的。
Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132
石墨烯在聚合 物中的相变。 a) 加热前； b) 加热后
石墨烯的基本知识
2004年，曼彻斯特大学Geim教授、Novoselov博 士和同事以微机械剥离法剥离层状石墨，发 现了二维碳原子平面结构——石墨烯
二维的碳 得来全不费功夫
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性 石墨烯
新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
G 制造天梯 的材料？
它是已发现强度最高的材料，比钻石还 坚硬，是最好的钢铁强度的100多倍。
八大预言
太空梯ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
千年虫
太空卫士
通讯卫星
太空核动力
预防地震
大脑备份
人体冷冻术
《天堂的喷泉》讲述了两 千年前，在赤道附近的岛 国塔普罗巴尼发生了一场 血腥的宫廷政变，暴君卡 利达萨借机上台。此人并 不满足于人间的欢乐，他 要在高山之巅建造天国， 向天神挑战，由是诞生了 “天堂的喷泉”。
远远超过了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的 情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面 就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散 射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中 电子受到的干扰也非常小。
现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡。氧化铟锡的 价格高、用量大、易碎、有毒性（与铅的毒性可比）。
用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4 千克的猫，而且是一只悬停在半空中的猫。
稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性 导电性最好的材料，载流子（电子）在其中的运动速度达到了光速的1/300，
= 10万
它是地球上已发现的最薄材料， 用肉眼是看不见石墨烯的。
2nm厚的石墨烯薄膜，透过率超过95%
氧化铟锡屏幕 VS 石墨烯屏幕
铟锡氧化物薄膜电阻的典型 值为40 Ω/sq，可见光透过率
大约为80%
用氧化还原法制备的还原氧 化 石 墨 薄 膜 厚 度 小 于 3nm ， 可见光透过率大于90%。
石墨烯的形态
研究发现, 当石墨的堆垛原子层数少于10 个单原子层时, 石墨层就会具有与普通三维石墨不同的电子结构. 一般将 10 层以下的石墨结构统称为石墨烯. 单层石墨烯的晶体结 构如下图 所示, 是由碳六元环组成的2D)周期蜂窝状点阵 结构, 厚度只有0.335nm, 相当于头发丝直径的1/2万.
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导为量子电导的奇数倍， 且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量 子力学，没有静质量。
= 100万
1 0个石墨烯调制器:传输速度可以达到1T
铜导线:传输速度最高可达100兆
石墨烯是电阻率最小的材料它在室温下传 递电子的速度比已知导体都快。
2004 年 首 次 制 成 石 墨 烯 材 料 。 这是目前世界上最薄的材料， 仅有一个原子厚。石墨烯的 发现推翻了所谓“热力学涨 落不允许二维晶体在有限温 度下自由存在”的原有认知， 震撼了整个物理界。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科 学家A. K. Geim和K. S. Novoselov，以表彰他们在石 墨烯材料方面的卓越研究。
-正改变世界未来
学 生： 导 师：
石墨烯
基本概念
石墨烯 神奇特性
石墨烯 新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
石墨烯存在哪里？
铅笔，谁都用过。小时候，学写字，胖乎乎的手 握着铅笔，在作业本上留下一个个歪歪扭扭的汉字。
铅笔笔芯的主要成分是石墨。所以，我们在作业本 上每划一笔，就是剥离了一层或者几层石墨片。 ，
网速提高一万倍，一秒钟可以下载十部电影
• 超级电容 • 场效应晶体管 • 发光二极管的电极材料 • 锂离子电池正极材料
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性
石墨烯 新闻时讯 石墨烯
➢ 石墨烯
C原子外层3个电子通过sp2杂化形 成强σ键(蓝)，相邻两个键之间夹 角约为120°；第4个电子为公共， 形成弱π键(紫)，为平面结构。
➢ 金刚石
C原子外层四个电子通过sp3杂化， 形成较强σ键，为四面体结构，相 邻两个键之间夹角约为109°。
石墨烯的基本知识
• 石墨烯的稳定性
石墨烯的结构非常稳定，carbon-carbon bond仅为1.42埃米;。石墨烯内部的 碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变 形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。 近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的解释，即石墨烯平面上 存在纳米级别的微观扭曲。
富勒烯，1996诺贝尔化学奖
• C元素的同素异形体 石墨（Graphite）——
层状结构，每一层中的碳按六方 环状排列，上下相邻层通过平行 网面方向相互位移后再叠置形成 层状结构，位移的方位和距离不 同就导致不同的多型结构。
金刚石（Diamond）—— 四面体结构，四个碳原子占 据四面体的顶点。
石墨烯的基本知识