最新石墨烯基础知识简介
石墨烯资料
一、石墨烯概述石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。
是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其厚度只有0.335纳米，仅为头发的20万分之一。
被认为是构建其它维数碳质材料（如0维富勒烯、1维纳米碳管、3维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学特性。
石墨烯材料分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜，另一种是由多层石墨烯构成的微片。
石墨烯薄膜又分为单晶薄膜和多晶薄膜。
石墨烯是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，是最有前景的先进材料之一。
二、石墨烯的优异性能1.理论比表面积高达2600m2/g VS活性炭1000~1800 m2/g2.导热系数高达5300 W/m·k VS铜400 W/m·k3.电子迁移率超过15000cm2/V·s VS硅1400 cm2/V·s4.电阻率约10-6Ω·cm5.透光率高达98%6.实测弹性模量为1060Gpa7.良好的结晶性8.半整数的量子霍尔效应9.永不消失的电导率三、石墨烯的应用前景3.1石墨烯良好的电导性能和透光性能，使其在透明电导电极方面有非常好的应用前景，石墨烯不仅可以制成太阳能电池用的透明电极，同时还可以用作插入半导体层之间的中间电极。
石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。
3.2石墨烯还有望成为新型高效的超级电容器电极材料，研究表明，石墨烯超级电容器的充放电速度比传统电池快1000倍。
这种新颖的石墨烯微型电容器有望应用于MEMS系统、便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器，以及其多种生物体内电子设备的储能器件。
3.3触摸屏是石墨烯未来应用的又一大热点。
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯的性质及应用
石墨烯的性质及应用石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成的二维晶体结构，具有一系列独特的性质和应用潜力。
以下将详细介绍石墨烯的性质和应用。
性质：1. 单层结构：石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，在垂直方向上只有一个原子层，具有单层的特点。
2. 高强度：尽管石墨烯只有一个碳原子层，但其强度非常高。
石墨烯的破断强度远远超过钢铁，是已知最强硬的材料之一。
3. 高导电性：石墨烯的碳原子呈现出类似于蜂窝状的排列方式，使得电子能够在其表面自由传导。
石墨烯的电子迁移率是晶体硅的200倍以上，使得其具有非常高的导电性能。
4. 高热导性：由于石墨烯中的碳原子排列紧密，热量传递效率非常高。
石墨烯的热导率超过铜的13000倍，是已知最高的热导材料之一。
5. 弹性：石墨烯具有非常强的弹性，在拉伸过程中可以扩展到原始长度的20%以上，然后恢复到原始形状。
这种弹性使得石墨烯在柔性电子学和拉伸传感器等领域具有广泛应用。
应用：1. 电子器件：石墨烯的高导电性和高迁移率使其成为制造高速电子器件的理想材料。
石墨烯可以作为传统半导体材料的替代品，用于制造更小、更快的电子元件，如晶体管、电容器和电路等。
2. 透明导电膜：石墨烯具有优异的透明导电性能，可以制备成透明导电膜，用于制造触摸屏、显示器和太阳能电池等设备。
相比于传统的氧化铟锡(ITO)薄膜，石墨烯具有更好的柔性和耐久性。
3. 电池材料：石墨烯可以用作锂离子电池的电极材料，具有高电导性和高比表面积的优势。
石墨烯电极可以提高电池的充放电速度和储能密度，有望在电动汽车和可再生能源储存等领域得到应用。
4. 传感器：石墨烯具有优异的电子迁移率和极高的比表面积，使其成为制造高灵敏传感器的理想材料。
石墨烯传感器可以用于检测气体、压力、湿度和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度的特点。
5. 柔性电子学：石墨烯的高强度和高弹性使其成为柔性电子学的重要组成部分。
石墨烯可以制备成柔性电路、柔性显示屏和柔性传感器等，有望应用于可穿戴设备、智能医疗和可卷曲设备等领域。
关于石墨烯相关知识的综述
关于石墨烯的相关知识1、石墨烯概述自从2004年英国的K.S.Novoselov和A.K.Geim发现了石墨烯（RGO）以后，它就成为了碳材料界的新星，在理论和实验方面开发它的可能性应用引起了很大的热潮。
石墨烯是由单层碳原子紧密排列堆积而成的二维蜂窝状平面晶格结构，它是构建其它维度碳材料的基本单元，它不但可以分解成零维的富勒烯[1]，卷曲成一维的碳纳米管[2]，而且还可以堆叠成金刚石和石墨[3]。
图1 石墨烯与富勒烯、碳纳米管和石墨的结构关系示意图[4]石墨烯由于其特殊的单原子层结构使得其拥有很多独特的物化性能，如优异的导电导热性能、超大的比表面积、良好的机械性能等，它的导热能力是金刚石的3倍[5]，且由于其各碳原子之间以共价键的形式结合，连接非常柔软，即使有外力的作用依旧可以保持很好的稳定性。
石墨烯的这些特殊性能使得其在多方面领域发挥着很大的作用，例如在太阳能电池、微电子装置、液体结晶设备、传感器和复合材料方面都有着广泛的应用前景。
1.1石墨烯的制备石墨烯的制备方法主要有物理法和化学法。
物理法通常是以石墨或者膨胀石墨作为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法等制备石墨烯，物理法制备石墨烯主要有操作简便、原料价格低廉、生成的石墨烯缺陷较少等优点。
而化学方法主要有化学还原法、化学气相沉积法等。
（1）机械剥离法机械剥离法[6]是通过施加机械力直接将石墨烯薄片从晶体上剥离下来，是最简单的一种方法。
2004年K.S.Novoselov等[7]就是采用机械剥离法利用离子束从高定向热解石墨上剥离下来石墨烯并观察到其单层结构。
机械剥离法制备出来的石墨烯虽然纯度较高、缺陷较少，但是尺寸不容易控制，不能准确地制备出足够长度的石墨烯，难以进行大规模生产。
（2）取向附生法取向附生法是利用稀有金属钌作为生长基质，通过基质的原子结构来生成石墨烯。
Peter W.Sutter等以钌为基底，高温下将C原子渗入钌中，冷却后大量的C 原子浮在钌表面，最终形成一片完整的石墨烯。
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯的介绍
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1 石墨烯的基本性质 2 石墨烯的制备方法 3 石墨烯的应用领域 4 结论与展望
石墨烯的介绍
石墨烯是一种由碳原子组成 的二维材料，它是单层石墨 的片状结构，具有极高的电 导率、热导率和机械强度
下面我们将详细介绍石墨烯 的基本性质、制备方法、应 用领域以及研究现状
CHAPTER 1
石墨烯的应用领域
能源领域
石墨烯的热导率和电导率都非常高，因此它在能源领域也有广泛的应用。例如，石墨烯可 以用于制造高效能电池和超级电容器等能源器件。此外，石墨烯还可以作为催化剂载体用 于燃料电池等领域
石墨烯的应用领域
生物医学领域
石墨烯具有良好的生物相容性和抗氧化性，因此在生物医学领域也有广泛的应用。例如， 石墨烯可以用于制造药物载体、生物传感器和成像试剂等生物医学器件。此外，石墨烯还 可以作为生物材料用于组织工程等领域
CHAPTER 3
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
由于石墨烯具有优异 的物理和化学性质， 它在许多领域都有广 泛的应用。以下是石 墨烯的主要应用领域
石墨烯的应用领域
电子器件领域
石墨烯具有很高的电 导率，因此它在电子 器件领域具有广泛的 应用。例如，石墨烯 可以用于制造晶体管 、场效应管、太阳能 电池等电子器件。此 外，石墨烯还可以作 为透明导电膜用于显 示器等领域
CVD法
CVD法是一种常用的制备石墨烯的方法，它是通过加热含碳气体(如甲烷、乙炔等)在基底 表面形成石墨烯。这种方法可以制备大面积、高质量的石墨烯，但需要高温条件和复杂的 设备
石墨烯的制备方法
氧化还原法
氧化还原法是一种通过氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，再通过还原剂将氧化石墨还原成石 墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯质量较高，但需要使用化学试剂和复杂的工艺流程
石墨烯简介
石墨烯简介石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶格材料，具有出奇制胜的电学、热学和力学性质。
它的发现引发了广泛的科学研究和技术应用，被誉为材料科学领域的"奇迹"。
下面是对石墨烯的详细介绍：石墨烯的结构石墨烯的结构非常简单，它是由一个层层叠加的碳原子构成，每一层都只有一个碳原子的厚度。
这些碳原子排列成六角形的蜂窝状晶格，就像蜜蜂蜂巢一样。
这种排列方式赋予石墨烯许多独特的性质。
电学性质石墨烯的电学性质令人惊叹。
它是一种半导体材料，但在室温下，电子能够在其表面以极高的移动速度自由传导，几乎没有电阻。
这使得石墨烯成为极好的导电材料，有望用于高速电子器件和新型电池。
热学性质尽管石墨烯是世界上最薄的材料之一，但它的热传导性能却非常出色。
石墨烯可以有效地传递热量，因此被广泛应用于散热材料和热导材料的领域。
机械性质石墨烯具有出色的机械强度，是世界上最坚硬的材料之一。
它的强度比钢还要高，并且非常轻薄。
这些性质使得石墨烯在材料科学和纳米技术中具有广泛的应用前景。
光学性质石墨烯对光的吸收和散射也表现出了独特的性质。
它在可见光和红外光谱范围内表现出高吸收率，但对其他波长的光几乎是透明的。
这一性质在光电子学和传感器领域具有重要应用价值。
应用领域石墨烯的独特性质使得它在许多领域都有广泛的应用潜力。
目前，石墨烯已经在电子器件、柔性显示屏、电池技术、传感器、材料强化、医疗设备等领域取得了重要突破。
总之，石墨烯是一种具有革命性潜力的材料，其独特的电学、热学、力学和光学性质使其在科学研究和技术创新中备受瞩目。
随着对石墨烯的深入研究和应用的不断推进，我们可以期待看到更多令人兴奋的发现和应用。
石墨烯基础学习知识简介.docx
WORD整理版1.石墨烯（ Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图 1.1 所示，石墨烯的原胞由晶格矢量 a1和 a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于 A 和 B 的晶格上。
C原子外层 3 个电子通过sp2杂化形成强σ 键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4 个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳 - 碳键长约为 0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π 键，其贯穿整个石墨烯。
如图 1.2 所示，石墨烯是富勒烯（0 维）、碳纳米管（ 1 维）、石墨（3 维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过 sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为 0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1 （ a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
专业学习参考资料WORD整理版图 1.2 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
石墨烯介绍
由于石墨烯产业的快速发展和广泛应用，相关法规和标准体系尚不完善，可能存在一定 的法规风险和不确定性。
未来发展趋势预测及建议
发展趋势
随着技术的不断进步和应用领域的拓展， 石墨烯产业将继续保持快速增长态势，未 来可能形成更加完善的产业链和生态系统。
VS
建议措施
加强国际合作与交流，共同推动石墨烯产 业的健康发展；加大科研投入力度，提升 核心技术的创新能力；完善相关法规和标 准体系，为产业发展提供有力保障。
核心技术创新突破及成果转化情况
技术创新
石墨烯制备技术不断取得突破，如化学气相沉积、液相剥离等方法的应用提高了石墨烯的生产效率和质量。
成果转化
石墨烯在能源、电子、生物医学等领域的应用研究不断深入，部分成果已成功转化为实际产品，如石墨烯 电池、石墨烯晶体管等。
政策法规环境对行业影响解读
政策扶持
各国政府纷纷出台政策扶持石墨烯产业发展，如提供资金支持、建设创新平台、推动产 学研合作等。
和质量相对较低。
电化学法
利用电化学原理在电解液中合成石 墨烯。该方法具有环保、低成本等 优点，但制备过程较为复杂。
热解法
通过高温热解有机前驱体合成石墨 烯。该方法可制备高质量的石墨烯， 但成本较高且产量有限。
03
石墨烯应用领域及前景展望
电子器件与集成电路
高速电子器件
石墨烯具有极高的载流子 迁移率，可用于制造高速 场效应晶体管、射频器件 等。
柔性电子器件
石墨烯的可弯曲性使其适 用于柔性电子器件，如可 穿戴设备、电子皮肤等。
透明导电薄膜
石墨烯的高透明度和导电 性使其在透明导电薄膜领 域具有广泛应用，如触摸 屏、有机发光二极管等。
传感器件和生物医学应用
石墨烯的用途初中知识
石墨烯的用途初中知识
石墨烯是由碳原子排列而成的一种二维材料。
由于其具有高强度、导热性好、透明度高、柔韧性强等特点，因此有着广泛的应用价值。
首先，石墨烯可以用于高性能电子器件的制造，如晶体管、场效应晶体管等。
其导电性强，能够实现快速传输电子信号，因此在电子领域有着重要的应用价值。
其次，石墨烯也可以用于生命科学领域。
研究发现，石墨烯具有很好的生物相容性和良好的细胞黏附能力，可以用于制备生物传感器和生物医学材料。
此外，石墨烯还可以用于水处理、储能材料、防腐材料等领域。
其特殊的结构使其具有强大的物理特性，因此有着广泛的应用前景。
总之，石墨烯的应用领域十分广泛，具有重要的经济和社会价值。
石墨烯简介
石墨烯的特性
石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料,也是有史以来被证实的最结实的材料,其强度可达130 GPa，是钢的100多倍，，其断裂强度达到了惊人的42NM-1；最新的研究表明，石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000 cm2V-1s-1） ，石墨烯的热导率可达5000W/ m·K， 是室温下纯金刚石的 3倍。目前试验还证实了石墨烯中的电子和空穴成对现象(ElectronHole Symmetry)，半整数量子霍尔效应(Half-integer Quantum Hall Effect)，室温量子霍尔 效应(Room-Temperature Quantum Hall Effect)等多种独特的电子结构和性质。
化学稳定性:石墨在常温下具有良好的化学稳定性，能耐酸碱、耐有机溶剂的腐蚀。
润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。石 墨为层状耐磨矿物，其Bond粉碎功指数高达45.03kw/t，相较于粘土的7.1kw/t、黄铁矿的 8.9kw/t，以及石英的12.77kw/t高出许多.
目前有三种方法制备石墨烯,一种是SiC的高温热解外延法或过渡族金属催化外延法，另一 种是轻微摩擦法或撕胶带法.第三种是化学修饰分散/还原法.
石墨烯是之中。用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯” 用的超韧缆线，研究表明石墨烯增强聚乙烯醇（PVA）复合材料，只需要添加0.7%（重量 比）的石墨烯，就可以使复合材料的拉伸强度提高76 ％，同时其杨氏模量增加62％；另 外，在功能化石墨烯增强的聚氨酯复合材料中，石墨烯含量为1％时，其复合材料的强度 提高75％，模量提高120 ％。
石墨烯：奇特的二维材料
石墨烯：奇特的二维材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多奇特的性质和潜在的应用价值。
它的发现引起了科学界的广泛关注，并被誉为“二十一世纪最重要的材料之一”。
本文将介绍石墨烯的结构、性质以及其在各个领域的应用。
一、石墨烯的结构石墨烯由一个碳原子层构成，这些碳原子以六边形的形式排列，形成一个类似于蜂窝状的结构。
这种结构使得石墨烯具有很高的强度和导电性。
此外，石墨烯的厚度只有一个原子层，因此被称为二维材料。
二、石墨烯的性质1. 强度和韧性：石墨烯具有很高的强度和韧性，是已知最强硬的材料之一。
它的强度是钢的200倍，同时还具有很高的弹性，可以被拉伸到原来长度的20%而不断裂。
2. 导电性：石墨烯是一种优秀的导电材料，电子在其表面上可以自由移动，形成一个类似于金属的电子云。
这使得石墨烯在电子学领域有着广泛的应用前景，例如制造更小、更快的电子器件。
3. 热导性：石墨烯具有很高的热导性，是铜的两倍。
这使得石墨烯在热管理和散热领域有着广泛的应用潜力。
4. 透明性：尽管石墨烯只有一个原子层的厚度，但它却是透明的。
这使得石墨烯在光学领域有着广泛的应用，例如制造更薄、更轻的显示屏和太阳能电池。
三、石墨烯的应用1. 电子学：石墨烯在电子学领域有着广泛的应用前景。
由于其优异的导电性和透明性，石墨烯可以用于制造更小、更快的电子器件，例如柔性显示屏、智能手机和电子纸等。
2. 能源领域：石墨烯在能源领域有着广泛的应用潜力。
它可以用于制造高效的太阳能电池和储能设备，提高能源利用效率。
3. 材料科学：石墨烯在材料科学领域有着广泛的应用。
它可以用于制造轻质、高强度的复合材料，提高材料的性能和使用寿命。
4. 生物医学：石墨烯在生物医学领域有着潜在的应用价值。
它可以用于制造生物传感器、药物传递系统和组织工程材料，促进医学诊断和治疗的进步。
四、石墨烯的挑战和前景尽管石墨烯具有许多优异的性质和潜在的应用价值，但它也面临着一些挑战。
石墨烯知识点
石墨烯知识点《嘿，聊聊石墨烯那些事儿》石墨烯，听到这个词，可能很多人会一头雾水，这是个啥玩意儿？嘿嘿，其实它可神奇着呢，让我来给你好好唠唠。
石墨烯啊，就像是微观世界里的超级英雄。
你可以把它想象成是由一层碳原子组成的薄片状的神奇材料。
它特别特别薄，薄到你无法想象，只有一个原子那么厚。
那到底有多薄呢？这么说吧，就好像是把一个足球场上的草皮压缩成一根头发丝那么细的程度。
这玩意儿的厉害之处可多了去了。
首先呢，它的导电性那叫一个强啊，就跟闪电似的，电流在它里面那叫一个畅通无阻。
你说要是以后家里的电线都换成石墨烯做的，那咱充电得快成啥样啊，估计眨个眼的功夫手机就满电了吧。
还有还有，它的强度那也是杠杠的。
就好像是个大力士，能扛起超重的东西。
要是用它来做材料，那做出来的东西岂不是坚不可摧？说不定以后盖房子都能用石墨烯呢，那盖出来的房子肯定坚固无比，就算来个大地震都不怕。
说起石墨烯，我就想到有一次我给我朋友讲这个。
我把石墨烯的特性说得那叫一个天花乱坠，就差没把它说成能上天入地了。
结果我这朋友一脸懵地看着我问：“这么牛的东西，那它能做啥好吃的不？”哎呀，把我给乐得呀，差点没笑岔气。
不过想想也是，对于普通人来说，可能更关心的是这些高科技玩意能不能跟日常生活挂上钩，能不能给我们带来点实实在在的好处。
其实啊，石墨烯离我们的生活并不遥远。
现在已经有很多研究在探索它在各个领域的应用了。
比如在电子设备方面，让我们的手机、电脑更薄更快；在能源方面，帮助我们开发更高效的电池；在医疗方面，说不定还能用来制造更先进的医疗器械呢。
总之，石墨烯就是个充满无限可能的玩意儿。
虽然它现在还没有完全走进我们的生活，但我相信，在不久的将来，它肯定会在各个领域大放异彩，改变我们的生活。
到时候，我们就可以美滋滋地享受石墨烯带来的便利啦。
所以啊，大家可别急，就慢慢等着看这个微观世界的超级英雄怎么在我们的生活里大显身手吧！。
石墨烯综述
石墨烯综述1.1石墨烯概述石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。
它的出现为科学界带来极大的贡献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最佳无机纳米技术。
由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，达到均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。
石墨烯的内部结构是以碳原子以sp 2杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。
一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。
另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。
如图1-1 所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。
因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不论是沉积在最底层的还是不收区域限制的。
，如图1-2 所示，蒙特卡洛模拟（KMC）做出了相应的验证[3]。
上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集起来。
同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能[3-6]图1-1. 石墨烯:其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨[7]。
Figure 1-1. Graphene: the building material for other graphitic carbon materials. It can be wrapped up into 0D buckyballs, rolled into 1D nanotubes or stacked into 3D graphite[7].图 1-2. 单层石墨烯的典型构象[1]。
石墨烯简单介绍
，是室温
构造与性能
热学性能
① 单层石墨烯旳
,
比碳纳米管旳而传
导率3000-3500Wm·k还要高，相比之下，工业界中被广泛使用旳散
热 材料金属铜旳热传导率只有400Wm·k
② 伴随石墨烯层数旳增长，其热传导率逐渐下降；当石墨烯从2层增 至4层时，其热导率从2800Wmk降低至1300Wmk；当层数到达5-8 层，减小到石墨旳热导率
2004英国曼彻斯特大学Andre Geim和他旳徒弟 Konstantin Novoselov在试验室用一种非常简朴旳措 施得到越来越薄旳石墨薄片。他们从石墨中剥离 出石墨片，然后将薄片旳两面粘在一种特殊旳胶 带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断 地这么操作，于是薄片越来越薄，最终，他们得 到了仅由一层碳原子构成旳薄片，这就是石墨烯 。所以两人共同取得2023年诺贝尔物理学奖。
石墨烯应用
替代硅生产超级计算机
石墨烯是目前已知
旳材料。石墨烯旳
这种特征尤其适合于高频电路。高频电路是当代电子工业旳领头羊，
某些电子设备，例如手机，因为工程师们正在设法将越来越多旳信息
填充在信号中，它们被要求使用越来越高旳频率，然而手机旳工作频
率越高，热量也越高，于是，高频旳提升便受到很大旳限制。因为石 墨烯旳出现，高频提升旳发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在
研究人员发觉，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距 离上可承受旳最大压力居然到达了大约2.9微牛。据科学家们测算，这 一成果相当于要施加55牛顿旳压力才干使1微米长旳石墨烯断裂。假如 物理学家们能制取出厚度相当于一般食品塑料包装袋旳（厚度约100纳
米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛旳压力才干将其扯断。换句 话说，假如用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重旳物品。
石墨烯：奇特的二维材料
石墨烯：奇特的二维材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多奇特的性质和潜在的应用价值。
它的发现引起了科学界的广泛关注，并被誉为“二十一世纪最重要的材料之一”。
本文将介绍石墨烯的结构、性质以及其在各个领域的应用。
一、石墨烯的结构石墨烯由一个碳原子层构成，这些碳原子以六边形的形式排列，形成一个类似于蜂窝状的结构。
这种结构使得石墨烯具有很高的强度和导电性。
石墨烯的厚度只有一个原子层，因此被称为二维材料。
二、石墨烯的性质1. 强度和韧性：石墨烯具有很高的强度和韧性，是已知最强硬的材料之一。
它的强度是钢的200倍，但重量却只有钢的1/6。
2. 导电性：石墨烯是一种优秀的导电材料，电子在其表面上可以自由移动。
石墨烯的电导率是铜的几百倍，是硅的几千倍。
3. 热导性：石墨烯具有很高的热导性，是铜的几倍。
这使得石墨烯在热管理和散热领域具有广泛的应用前景。
4. 透明性：尽管石墨烯只有一个原子层的厚度，但它却是一种透明材料。
石墨烯对可见光的透过率高达97.7%，对紫外光和红外光也有很好的透过性。
5. 气体屏障性：石墨烯具有很好的气体屏障性能，可以阻止气体和水分的渗透。
这使得石墨烯在包装材料和防腐蚀领域具有潜在的应用价值。
三、石墨烯的应用1. 电子学领域：石墨烯在电子学领域具有广泛的应用前景。
由于其优异的导电性能，石墨烯可以用于制造更小、更快的电子器件，如晶体管和集成电路。
2. 光电子学领域：石墨烯的透明性和导电性使其在光电子学领域具有潜在的应用价值。
石墨烯可以用于制造柔性显示屏、太阳能电池和光传感器等设备。
3. 能源领域：石墨烯在能源领域有着广泛的应用前景。
石墨烯可以用于制造高效的锂离子电池和超级电容器，以及用于储能和催化反应的材料。
4. 材料科学领域：石墨烯在材料科学领域有着广泛的应用前景。
石墨烯可以用于制造高强度、轻质的复合材料，以及用于增强材料的性能。
5. 生物医学领域：石墨烯在生物医学领域具有潜在的应用价值。
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1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。
由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。
这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。
这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。
同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。
图1.3 单层石墨烯的典型构象除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。
这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。
但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。
2.石墨烯的性质2.1 力学特性在石墨烯二维平面内,每一个碳原子都以σ键同相邻的三个碳原子相连,相邻两个键之间的夹角120°，键长约为0.142nm,这些C-C键使石墨烯具有良好的结构刚性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料,其本征（断裂）强度可达130GPa,是钢的 100多倍,杨氏（拉伸）模量为1100GPa。
如此高强轻质的薄膜材料,有望用于航空航天等众多领域。
2.2 电学特性石墨烯的每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
π电子在平面内可以自由移动,使石墨烯具有良好的导电性石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应，双极性电场效应，超导电性，高载流子率等优异的电学性质，其载流子率在室温下可达到 1.5×104 cm².V−1.S−1。
图2.1 绝缘体，导体，半导体的能带结构图2.2 石墨烯能带结构2.2.1石墨烯能带结构当绝对零度下，半导体的价带是满带（完全被电子占据）。
当受光电或热激发后价带中的部分电子（石墨烯的电子运动速度高达106m/s，是光速的1/300）越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电重叠子后形成一个带正电的空位，成为空穴。
导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对，则电子，空穴能自由移动成为自由载流子。
它们在外电场作用下产生定向运动形成宏观电流，分别成为电子导电和空穴导电。
石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子,导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点(K和K′)点，再相交点附近其能量于波矢量成线性关系E=ħU F K=ħU F√K x2+K y2（2.1）E：能量，ħ：约化普朗克常数，U F：费米速度，1*106m/s，K x，K y分别是波矢量再X-和Y-轴的分量。
因此，使得石墨烯中的电子和空穴的有效质量均为零，所有电子，空穴被称为狄拉克费米子。
相交点为狄拉克点，在其附近能量为零，古石墨烯的带隙（禁带）为零。
石墨烯独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应和异常的半整数量子霍尔效应（当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面会出现电势差）。
表明了其独特的载流子特性和优良的电学性质。
石墨烯的室温载流子迁移率实测值达15000cm²/V·s(电子密度1013cm²)。
2.2.2石墨烯高迁移率的原因散射机制在一定温度下,即使没有外加电场,半导体中的大量载流子也在永不停息的作着无规则的、杂乱无章的热运动。
载流子在运动时,便会不断的与热振动着的晶格或半导体中电离子的杂质离子发生碰撞,使载流子速度的大小及方向发生改变。
也就是说载流子在运动中受到了散射。
当有外电场作用时,一方面,载流子在电场力的作用下作定向运动;另一方面,载流子仍不断的遭到散射,使其运动方向不断的改变。
载流子就是在外力和散射的双重影响下,以一定的平均速度沿力的方向漂移。
众所周知,在具有严格周期势场的晶体中,载流子不会遭到散射。
载流子遭到散射的根本原因就是这种周期势场被破坏。
在实际的晶体中,除了存在周期势场外还存在一个附加势场,从而使周期势场发生变化。
由于附加势场的作用,就会使能带中的载流子发生在不同状态间的跃迁。
例如,原来处于状态的载流子遭到散射后以一定的几率跃迁到各种其他的状态。
晶体电子可看成是处于晶体原子所构成的晶格周期性势场之中的微观粒子，此势场的形式就决定了晶体电子的能量状态—能带。
此即意味着晶体电子的状态（用电子波的波矢k 表征）由晶格周期性势场决定，即规则排列的晶体原子，就决定着由许多波矢k 表征的晶体电子的状态。
因为载流子散射就是载流子的动量发生改变的现象，也就是波矢k （ 晶体动量，大小为波长的倒数）发生改变的现象；而规则排列的原子构成的晶格周期性势场只是决定晶体电子的稳定状态，而不会引起状态的变化。
故可以说，在完整的晶格周期性势场中运动的电子不会遭受散射。
因此，规则排列的晶体原子不会散射载流子。
规则排列的晶体原子不散射载流子的情况，也可以用电子波在晶体中的传播概念来理解。
因为电子在晶体中的运动，实际上就是电子波在晶体中的传播；而规则原子构成的许多晶面都可以反射电子波，而各个反射波之间干涉的结果，除了某一定波长的电子波因满足Bragg 反射最大的条件、而不能传播以外，其余的电子波都可以在晶格中很好地传播，从而相应的这些电子并不遭受散射。
而在晶体中不能传播的电子波的波矢，正好是Brillouin 区边缘的那种波矢（状态），即这种状态是不存在的。
在能量上，Brillouin 区边缘就对应于禁带；Brillouin 区内部的波矢所对应的就是容许带（能带）。
因此，处于能带中的晶体电子，不会受到晶格的反射，即不会受到晶体原子的散射。
总之，规则排列的晶体原子、亦即相应的晶格周期性势场不会散射载流子。
可以想见，不是规则排列的晶体原子、亦即不是完整的晶格周期性势场就必将散射载流子。
换句话说，在完整晶格周期性势场之上的任何附加势场，对于晶体中的载流子都将要产生散射作用。
所以，电子在石墨烯中传输时不易发生散射，表明石墨烯的主要散射机制是缺陷散射。
可以提高石墨烯的完整性来增加其迁移率。
2.3光学特性单层石墨烯的透过率可从菲涅耳公式用于通用光传导的薄膜材料中得到 G 0=e 24h ≈6.08∗10−5Ω−1 （2.2）1（1+0.5π α）²≈1-πα≈97.7% （2.3）其中，α=e 2αε0hc =G 0αε0c ≈1137，e 是光子的电荷、C 为光速, α为精细结构常数。
可见单层石墨稀对光的吸收率达到了 2.3%,对于多层石墨炼片,可以看做单层石墨烯的简单叠加,每一层的吸收是恒定不变的,随着层数的增加,吸收也线性增长。
多层石墨烯的透过率为:T=（1-αabs ）²。
其中αabs=2.3%为单层石墨稀的非饱和吸收效率,n为石墨稀的层数。
根据上式得出的多层石墨烯对光的吸收率和层数的关系,随着层数的增加,石墨烯对光的吸收率也变大,10层时吸收率达到0.207。
吸收波长取决于能带间隙，即禁带宽度。
因为石墨烯为零带隙结构，理论上对任何波长都有吸收作用，另外，当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和，这一非线性光学行为称为可饱和吸收。
2.3.1可饱和吸收原理当强光照射到石墨稀上时,石墨稀的吸收不再是线性的,而是非线性的依赖于光强,这个效应称为可饱和吸收。
初始时（图2.3 a）在光子的入射下,价带上的电子将吸收光子的能量跃迁到导带。
这些电子经热化和冷却后形成热费米-狄拉克分布。
遵循泡利不相容原理，占据导带上最低的能量状态，热载流子能量降到平衡态，价带的电子也重新分布到低能量状态，能量高的状态呗空穴占据这个过程同事伴随着电子-空穴复合和声子散射（图2.3b）。
对于c，当光的强度降低时，吸收系数与载流子的宽度呈递减关系。
若光的强度足够大，电子被源源不断激励到导带，光生载流子将整个导带-价带填满,阻碍光的进一步吸收,对光表现为透明,带间跃迁被阻断此时石墨稀被饱和，光子无损耗通过。
可饱和吸收特性归因于两个主要原因，首先，石墨烯强烈的与波长无关的线性吸收（2.3%）提供了吸收饱和调制深度的潜能。