石墨烯简介
石墨烯简介
石墨烯简介有这样一种材料，它的机械强度是世界上最好钢的100倍，有着最快的电子迁移率，1秒内就可以传完两张蓝光DVD的容量……这就是石墨烯。
石墨烯是从石墨中剥离出的单层碳原子面材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，也可称为“单层石墨”（碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，为平面多环芳香烃原子晶体），它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。
一、石墨烯发展简史20世纪初，科学家开始接触到石墨烯。
2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·杰姆（AndreGeim）和他的学生克斯特亚·诺沃消洛夫（Ko-styaNovoselov）用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。
他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复这样的操作，于是薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。
2010年,他们二人凭借着在石墨烯方面的创新研究获得了诺贝尔物理学奖。
获奖后，一些媒体渲染性地报道：“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。
”二、特性石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质：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，碳原子之间的连接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品；几乎完全透明，却极为致密、不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透；导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料；化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
三、制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法两种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法，化学法包括化学还原法与化学解理法、化学气相沉积法等。
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。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念之迟辟智美创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体.石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子.但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜.单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构.完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比概况积高达2.6×102 m2 /g.石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa).另外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 /(V·s).石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨年夜兴趣，成为资料科学研究热点.石墨烯结构图2石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子标准厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构.石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状.垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很年夜的作用.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单位，可以将它看做一个无限年夜的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯.形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密聚积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面.在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单位实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子.单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一.石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧.受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不用重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性.石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在.纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近发生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增年夜.因此，通过控制石墨烯条带的宽度即可以进一步获得需要的势垒.这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础.石墨烯能带结构图3石墨烯性能石墨烯是一种超轻资料，面密度为0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超强的导电性.石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，是硅的100倍，在室温下可以到达15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多，只有10 ～6Ω·cm 左右.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m•K.三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超越金刚石，断裂强度到达钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概况积.石墨烯的比概况积每克比普通活性炭高出1130m2，到达2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米资料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能.理论和实验结果标明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%.从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数.结合非交互狄拉克-费米子理论，模拟石墨烯的透射率，可以得出与实验数据相符的结果.根据折射和干涉原理，分歧层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出分歧的颜色和比较度，为石墨烯层数的分辨提供了方便.理论和实验标明年夜面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能，且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变动.石墨烯薄膜是一种典范的透明导电薄膜，可以取代氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜资料，即可克服ITO薄膜的脆性缺点，也可解决铟资源稀缺对应用的限制等诸多问题.石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极.另外，当入射光的强度超越某一临界值时，石墨烯对其的吸收会到达饱和.这一非线性光学行为成为饱和吸收.在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收.利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等.3.2 石墨烯的电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性.由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小.电子在石墨烯中传输时不容易发生散射，传输效率1.5×105cm2/(V·s)，约为硅中电子迁移率的140倍.其电导率可达106s/m，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的资料.因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池.石墨烯的呈现在科学界激起了巨年夜的波涛.人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超越钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的呈现有望在现代电子科技领域引发一轮革命.在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯暗示得好.由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费72%-81%的电能，石墨烯则分歧，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性.3.3 石墨烯的力学性能石墨烯是一直资料中强度和硬度最高的晶体结构.其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa.石墨烯的强度极限为42N/m2.理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可接受4kg的质量.石墨烯可作为一种典范的二维增强资料，在复合资料领域具有潜在的应用价值.石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能坚持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵抗外力，保证自己的稳定性.石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数高5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石.石墨烯的理论比概况积可达2630m2/g，用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体附着或脱离石墨烯概况时，吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度，招致电阻发生阶跃型变动.这一特性可用于制作气体传感器.理论计算标明，石墨烯与锂可形成多孔复合结构，具有极强的氢气贮存能力.3.5 石墨烯的磁学性能石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性，主要是由于石墨烯在氢化以后，在边缘处有孤对电子对，这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下，做过通过改变温度，看能否让石墨烯的磁性有所变动.确定磁场强度为1T，当温度T＜90K 时，石墨烯会暗示出顺磁特性；当温度T＞90K 时，石墨烯会呈现出了反磁特性.3.6 石墨烯的化学性能石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，钾），这条性质和我们所认知的活性炭有些相似.二氧化氮，氨，钾往往是被作为给体或受体，使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变动，然而石墨烯自己就是一种导电资料.其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会发生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰分歧吸附物而已.由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体，从化学的角度上来看，往往它们具有一些相同的性质，所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比力简单又方便的思想，在未来，石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特性示意图。
石墨烯简介
石墨烯1 石墨烯的概述石墨烯（Graphene，GE）是世界上最薄，最坚硬的纳米材料，也是其他石墨材料的基本单元，以碳六元环为基本结构组成周期蜂窝状的二维点阵结构，若翘曲便可成为零维的富勒烯，若将石墨烯卷成一维结构便成为碳纳米管(Carbon nano-tube,CB)，若是多层堆积便成为了三维的石墨(Graphite)。
石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料。
平面六边形点阵结构是石墨烯最理想的结构，可以认为是单层石墨分子被从三维石墨结构中剥离出来形成的二维分子结构，所有碳原子均为sp2杂化，并且每个碳原子上均多出一个p轨道上的电子形成大π键，这个π电子可以自由移动，因此石墨烯具有良好的导电性。
因此二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本单元。
由于特殊的结构石墨稀因此拥有了很多的优异的性能，首先在电学方面，由于大π键的存在，石墨稀具有优异的导电性能，如超高的载流子迁移率，室温量子霍尔效应，弹道输运等等；而在光学方面，石墨烯具有超高的透光率，其透光率能达到97.7%的惊人数据。
力学性能方面，石墨稀是已知的具有最高强度和硬度的晶体结构，热学方面，石墨烯具有优异的导热性能，其导热是铜的很多倍。
由于这些优异的性能使得石墨稀不但成为科学界一颗明星，而且使得其拥有了极其广阔的应用前景。
石墨烯为六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是由一种碳原子以sp2杂化轨道组成的，我们可以将它看成是其他石墨类材料组成的基本单元，所以石墨烯片在适当的条件下可以进行包裹和卷曲，分别可以形成零维和一维结构，层层堆叠起可以形成的是三维的石墨，零维和一维分别形成球状的富勒烯、管状的碳纳米管(见图1.1)；它们和仅为单一碳原子厚度的二维碳材料作为为重要成员组成了碳纳米材料家族，它们之间通过包裹、卷曲和堆积相互进行转化。
2004年，K.S.Novoselov 等以天然鳞片石墨为原料，制得二维六角形平面原子石墨烯的方法为机械力剥离法。
石墨烯简介
石墨烯的性质
电学特性：
石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的 π 电子，这些电子可形成与平面垂 直的π轨道，π电子可在这种长程π轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导 电性能，石墨烯是具有零带隙的能带结构，其载流子可以使电子也可以是空穴
左图为石墨烯热导率测试方法，以 488nm 激 光加热，用石墨烯的拉曼光谱中 G 峰位移变化标 示石墨烯的温度变化，从而测得石墨烯热导率
Singh V, Joung D, Prog. Mater. Sci., 2011, 56, 1178–1271.
石墨烯的性质
其他性质：
单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g 边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性
场效应晶体管
石墨烯基晶体管：石墨烯加偏压成为半导体，作为晶体管源电极和漏电极之间
的通道；石墨烯无禁带，不能直接用于晶体管等逻辑元件，但可以采用将石墨烯制 成石墨烯纳米带、石墨烯量子点及双层石墨烯加偏压等方法使石墨烯禁带宽度不再 为 0 ，所用石墨烯有直接剥离的，也有 CVD 等工艺合成的，所用介电材料有 SiO2 、
以松香转移的石墨烯薄膜作为透明电极制备的大面积柔性OLED器件
大面积柔性OLED器件
上述研究结果于2017年2月24日在《自然-通讯》上在线发表（Nature Communications,
10.1038/NCOMMS14560, 2017）
DOI:
石墨烯的应用
传感器
由于氧化还原法制备的石墨烯（RGO）的边缘具有不同的功能，使其在电 化学传感器和生物传感器方面具有广泛应用前景，用RGO制备的场效应晶体管通 过其电导率、电容或掺杂物性能的变化对周围化学和生物环境变化做出响应
石墨烯简介
石墨烯的化学性质
类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱 附各种原子和分子。从表面化学的角度来 看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石 墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能 有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学 性质得到广泛关注，有一个不得不克服的 障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。 如果这一点未得到解决，研究石墨烯化学 将面临重重困难。
展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨 烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控 屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢 铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出 现有望在现代电子科技领域引发一轮革命 。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移 ，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远 没有导体用热的形式释 放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以 这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯 则不同，它的电子能量不会被损耗，这使 它具有了非比寻常的优良特性。
制备方法
微机械剥离法
化学气相沉积法
氧化还原法
溶剂剥离法
溶剂热法 其它方法
应用领域
纳电子器件方面
代替硅生产超级计算机
太阳能电池
光子传感器
基因电子测序
隧穿势垒材料
其它应用
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。
石墨烯的一些物理性质
性质 数值
导热系数 电子迁移率
5300 W/m· K 超过15000
cm²/V· s
因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发 电阻率 约10-6 Ω·cm
石墨烯技术的应用及前景展望
石墨烯技术的应用及前景展望一、石墨烯简介石墨烯是一种单层厚度为纳米级的碳材料，具有极高的导电性、热导率、机械强度和超轻质量等优异性能。
其结构由一层层的强共价键连接而成的六角形碳原子组成，具有较强的化学稳定性和生物相容性。
自2004年石墨烯首次被制备出来以来，其受到了广泛的研究和关注，由此产生了许多的石墨烯应用技术。
二、石墨烯技术的应用领域1. 电子行业石墨烯作为半导体材料，能够极大地提高电子器件的性能和加工效率。
石墨烯晶体管、石墨烯场效应晶体管、石墨烯超快速电路等将成为未来电子技术的核心组成部分。
2. 光电行业石墨烯具有优异的光电性能，能够制备出高效率的光伏电池、高性能的光电传感器、高亮度、高稳定性的LED灯等，在光电行业具有广阔的应用前景。
3. 材料行业石墨烯具有很高的强度、硬度和韧性，可以被制备成各种复合材料，被广泛应用于建筑、汽车工业等领域。
4. 生物医学石墨烯具有极好的生物相容性和生物稳定性，可以用于生物医学材料的制备和医疗器械的研发。
石墨烯的超薄结构和强烈的光电响应性质可以用于制造生物传感器和绿色荧光剂，并在生物光子学中提供全新的解决方案。
三、石墨烯技术的前景石墨烯技术的广泛应用，将深刻地影响人类现代科技的发展方向。
由于石墨烯具有非常高效的导电性和热导率，可以用于新型节能材料、新型锂电池、高效率的热电材料等。
除此之外，石墨烯还可以被制备成高效的催化剂和光催化剂，能够用于环保、化学工业等众多领域。
石墨烯技术将帮助解决许多现代科技所面临的挑战，具有巨大的市场潜力和发展前景。
与此同时，围绕着石墨烯技术的研究也在不断地推进。
人们正在努力探索其应用范围，开发新的石墨烯制备方法和技术。
石墨烯的可控性、可扩展性以及生产成本的降低也成为了研究重点，这将更有利于石墨烯技术的推广和工业化应用。
总之，石墨烯技术将会在未来的科技发展道路中发挥越来越重要的作用。
石墨烯具有不同于其他材料的独特优异性能，其应用领域将逐渐拓展，未来还将会有更多的惊人应用被发掘出来。
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。
人类目前最强功能材料-石墨烯
实验证明
从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强 度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现 刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大 学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
Changgu Lee, et al. Graphene Measurement of th Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008);
三、石墨烯材料的性质
1、力学性质——比钻石还要硬
数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 牛。 据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的 压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制 取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳 米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将 其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它 将能承受大约两吨重的物品。 打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量 加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一 样厚度的单层石墨烯。
三、石墨烯特性 ： 电子运输 在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学 家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。 所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层 石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级 别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 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”。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念1 石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。
但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。
单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。
完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。
石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。
此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。
石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。
石墨烯结构图2 石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。
石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。
每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。
垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。
石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。
在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。
单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。
石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。
受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。
石墨烯
长沙理工大学材料科学导论石墨烯论文组长姓名：颜虎斌成员姓名：董文渊唐文楚吴世宇梁紫璋王朔指导老师：陈**石墨烯摘要石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
石墨烯是非常重要的材料。
本论文首先对石墨烯的组成及基本性质进行阐述，然后分析石墨烯的制备方法，得出石墨烯的使用性质及应用。
关键词：石墨烯目录一、石墨烯简介 (1)1.1石墨烯的来源 (2)1.2石墨烯的成分 (2)1.3石墨烯的结构 (2)二、石墨烯的基本性质 (3)2.1石墨烯的化学性质 (3)2.2石墨烯的物理性质 (3)三、石墨烯的制备方法及工艺流程 (3)3.1物理方法 (3)3.2化学方法 (5)四、石墨烯的应用及前景 (6)4.1应用 (6)4.2发展前景 (7)一、石墨烯简介1.1石墨烯的来源石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
1.2石墨烯的成分石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。
1.3石墨烯的结构石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。
碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。
石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。
在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。
石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。
石墨烯拉伸结果
石墨烯拉伸结果
摘要：
一、石墨烯简介
二、石墨烯拉伸实验
三、石墨烯拉伸结果及应用
四、石墨烯拉伸技术前景
正文：
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料，具有高强度、导电性、透明性等特点，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。
然而，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004 年成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此获得了2010 年诺贝尔物理学奖。
石墨烯的拉伸实验是研究其性能和应用的关键环节。
通过拉伸实验，可以改变石墨烯的结构和性能，从而为实际应用提供可能。
近年来，研究人员在石墨烯拉伸方面取得了显著进展，包括成功地将石墨烯拉伸至前所未有的长度和强度。
石墨烯拉伸的结果令人振奋。
实验表明，石墨烯在拉伸过程中可以保持其优异的性能，如高强度、高导电性和透明性。
此外，拉伸石墨烯还具有许多新特性，如可变形性、弹性和柔韧性等。
这些特性使拉伸石墨烯在许多领域具有广泛的应用前景，如柔性显示屏、可穿戴设备、航空航天、汽车制造等。
石墨烯拉伸技术仍处于初级阶段，但已经展示出巨大的潜力。
未来，随着
研究的深入和技术的进步，石墨烯拉伸技术有望进一步优化和成熟，为人类带来更多便利和创新。
石墨烯简介
石墨烯Graphene一．石墨烯是什么？1.关于2010诺贝尔物理学奖海姆和诺沃肖洛夫他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国于2004年第一次用微机械剥离法( Micromechanical cleavage) 获得石墨烯薄片层制备出了石墨烯。
这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
至此，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管和零维的富勒球（足球烯）就组成了完整的碳家族体系。
2.石墨烯的结构所谓石墨烯，它和石墨有着紧密的联系。
我们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
——此即微机械剥离法单层石墨烯就是指只有一个 C 原子层厚度的石墨，C—C 间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。
完美的石墨烯是理想的六边形晶格组成二维晶体结构，利用透射电镜（TEM），原子力显微镜（AFM）研究表明，这些悬浮的石墨烯片层并不是完全平整，他们表现出物质微观状态下固有的粗糙，表面会出现几度的起伏，可能正是这些三维的褶皱巧妙的促使二维晶体结构稳定存在。
石墨烯厚度只有0.335nm，如果我们把20 万片薄膜叠加到一起也只有一根头发丝那么厚。
3.石墨烯的特点及相应的应用它是已知材料中最薄的一种，并且比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
eg.如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。
换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
————应用：这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
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。
石墨烯简介
石墨烯石墨烯石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。
它的导电和导热性能超过任何铜线，重量几乎为零。
这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。
1 简介2 发现历史3 结构4 特性5 制备方法石墨烯石墨烯（Graphene）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。
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm2/（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。
石墨烯立基于石墨，厚度极小，300万片石墨烯堆叠在一起的厚度也不过1毫米20世纪初，X射线晶体学创立以来，科学家就已经开始接触石墨烯了。
1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。
1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。
最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯〔Graphene〕的构造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〕的根本组成单元，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严密堆积成的二维蜂巢状的晶格构造，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，每一个碳原子都奉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〕石墨烯的晶体构造。
图1.2石墨烯原子构造图及它形成富勒烯、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，均为零带隙构造半导体〔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构造；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅构造，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯〔Graphene〕：指由一层以苯环构造〔即六角形蜂巢构造〕周期性严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〕：指由两层以苯环构造〔即六角形蜂巢构造〕周期性严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-PPT
4，电子的相互作用
石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格 间均存在着强烈的相互作用。 石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相 互作用强烈，而且电子和电子之间也有很 强的相互作用。
5、其它特殊性质 ① 石墨烯具有明显的二维电子特性。 ② 在石墨烯中不具有量子干涉磁阻 ③ 石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描 述比薛定谔方程更 ④ 好可控渗透性 ⑤ 离子导电体各向异性 ⑥ 超电容性 ………………
实现人类梦想
Dreams： Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高 上百倍的石墨烯，如果能加以利用， 上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造 出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣， 出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣， 甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯， 23000英里长伸入太空的电梯 甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯， 实现人类坐电梯进入太空的梦想。 实现人类坐电梯进入太空的梦想。 美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金 美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金 400 鼓励科学家们进行这种电梯的开发
二、石墨烯材料的制备
1、机械剥离法 通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。 加热SiC SiC法 2、加热SiC法 通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger 等人已经能可控地制备出单层. 或是多层石墨烯 。据预测这种方法很可能是 未来大量制备石墨烯的主要方法之一。 3、热膨胀法 4、化学法
三、石墨烯材料的性质
1、力学性质——比钻石还要硬 力学性质——比钻石还要硬 ——
数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前， 数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9 100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 牛。 据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的 据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的 55 压力才能使1米长的石墨烯断裂。 压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制 取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100 100纳 取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳 石墨烯， 米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将 其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋， 其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它 将能承受大约两吨重的物品。 将能承受大约两吨重的物品。 打个比方说单层石墨烯的强度， 打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量 加到一支铅笔上， 加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一 样厚度的单层石墨烯。 样厚度的单层石墨烯。
石墨烯简介
readme tian sen :石墨烯应用部分前五个可以适当删除。
1综述石墨烯2石墨烯的制备方法3石墨烯的特性1、石墨烯简介1、石墨烯定义石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
2、石墨烯研究历史实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。
石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。
铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。
他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。
不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。
因此，在随后三年内, 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。
在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。
所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。
虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。
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。
二、制备方法1、撕胶带法发现石墨烯使用的方法2、机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有排列而成的蜂窝状晶体结构。
石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。
每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。
垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。
石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。
在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。
单层石墨烯厚度仅0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
100倍，在室温下可以达到15000cm2/(V·s)。
电阻率比铝、铜和银低很多，只有10～6Ω·cm左右。
二是具有超强的导热性。
石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m?K。
三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100倍。
四是具有超强的透光性。
石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97.7%。
五是具有超强的比表面积。
石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2，达到2630m2/g。
3.1石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。
理论和实验结果表明，单层石墨石饱和。
这一非线性光学行为成为饱和吸收。
在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收。
利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等。
3.2石墨烯的电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。
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High surface area
Optimal mechanical properties
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High carrier mobility
石墨烯是导电性最好的材料。电子传输测量结果显 示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率 （electron mobility），载流子（电子）在其中的运动 速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中 的运动速度。
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Optimal mechanical properties
金刚石制成的探针对 这些放置在小孔上的石 墨烯施加压力，以测试 它们的承受能力 研究人员发现，在石墨烯样 品微粒开始碎裂前，它们每 100纳米距离上可承受的最 大压力居然达到了大约2.9微 牛。
A是表面钻有小孔的晶 体薄板，这些孔的直径为1-1.5um C是对放在晶体板上的
以AFM为例，如图12所示，当 非接触式原子力显微镜的单原子探 针在样品上方恒定高度下来回移动 时，它“感知”到样品表面电子力 的变化。由此带来的探头变化被激 光束检测并用电脑成像。
图12 原子力显微镜示意图
Fig.12 Schematic diagram for the AFM
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图6 Cu外延石墨烯 STM图
Fig.6 The STM image of graphene grown on Cu
STM(scanning tunneling microscope)扫
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图7 原子分辨率STM图
LOGO Fig.7 Atomic resolution STM image
描隧道显微镜
Fig.10 Micromechanical cleavage
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图11 单层石墨烯示意图
Fig.11 Schematic diagram of monolayer graphene LOGO
Characterization methods of graphene
原子力显微镜（Atomic Force Microscope）AFM 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)SEM 光学显微镜(Optical Microscope) Raman光谱(Raman Spectroscopy)
图9 氧化石墨示意图
Fig.9 Schematic diagram of graphene oxide
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微机械剥离法 （Micromechanical Cleavage）
Geim 等于2004 年用一种极为简单的方法----微机械 剥离法(Mic- romechanical cleavage) 成功地从高定向热 解石墨(HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite)上 剥离并观测到单层石墨烯。Geim 等利用离子束首先在 1mm 厚的高定向热解石墨表面用氧等离子干刻蚀进行离 子刻蚀。在表面刻蚀出宽20Lm~ 2mm、深5Lm 的微槽, 并将其用光刻胶粘到玻璃衬底上, 然后用透明胶带进行反 复撕揭, 将多余的HOPG去除, 随后将粘有微片的玻璃衬底 放入丙酮溶液中超声。再将单晶硅片放入丙酮溶剂中, 将 单层石墨烯捞出。由于范德华力或毛细管力, 单层石墨烯 会吸附在单晶硅片上。Geim 等利用这一方法成功制备了 准二维石墨单层并观测到其形貌。
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graphene structure
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Do you understand?
conjugated
A new carbon material A sp2-hybridized carbon sheet With one-atom-thick and two-dimensional honeycomb crystal lattice structure The shadowed area delineates the unit cell of graphene with its two non-equivalent atoms
石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2 级， 但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变， 其硬度将比莫氏硬度10 级的金刚石还高，却又拥有很好 的韧性，且可以弯曲。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可 见光。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度 （opacity），单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人 惊异的高不透明度。
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随后Meyer 等将微机械剥离法制得的含有单层石墨烯 的Si 晶片放置于一个经过刻蚀的金属架上, 用酸将Si 晶片 腐蚀掉, 成功制备了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯 并用透射电镜观测到其形貌。研究发现单层石墨烯并不是 一个平整的平面, 而是平面上面有一定高度的褶皱。
图10 微机械剥离法
图5 SiC外延单层石墨烯AFM（原子力 显微镜）图
Fig.5 The AFM image of monolayer graphene grown on SiC LOGO
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外延生长法（2）
金属外延法
利用乙烯热解退火方法可以在Pt (111)上生长单层石 墨( Singlelayer of Graphite) ;迄今为止,人们已分别研究 了乙烯、乙炔与甲烷等碳氢气体在Co ( 0001)、Ni (111) 、 Pt(111)和Ir (111) 等金属表面上的热解,适当工艺条件下, 可以形成石墨烯. 可制成单层,生长连续、均匀、大面积的石墨 烯。
图2 单层石墨烯及其派生物示意图
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Fig.2 The schematic diagram LOGO of graphene and its derivatives
Energy band structure
石墨烯的能带结构如图3所示,由于导带与价带在费米能级 的6个顶点相交,这6个角处是低能区，其E-k色散关系是线 性的，电子或空穴的有效质量为零，因此石墨烯为零带隙 半导体(Zero Gap Semiconductor) ,显示金属性,具有优 良的导电性。
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High surface area
石墨烯具有较大的理论比表面积。大的比表面积决定了其 具有较高的能量密度。目前石墨烯材料的比表面积(200～ 1200 m2· g-1)与理论预测值还有较大的差距，如何调控石 墨烯的结构，使石墨烯表面可以完全被电解质溶液所浸润， 是目前的重要课题。
AFM and SEM
原子力显微镜的应用使 得观测到单层石墨烯成为可 能( 图13) 。单层石墨烯由于 其厚度只有0. 335nm, 在扫描 电子显微镜(SEM) 中很难被 观测到, 只有在原子力显微镜 (AFM) 中才能清晰的观测到。 原子力显微镜是表征石墨烯 材料的最直接有效的手段。 然而基于微机械剥离方法 制得的石墨烯, 产量很低, 并 图13 原子力显微镜下观察到的石 且在微量的剥离物中掺杂着 墨烯晶体 很多多层石墨片, 直接用原子 Fig.13 The AFM image of 力显微镜观测, 效率很低。 graphenes
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晶粒尺寸较小, 层数不均一且难以控制, 晶界处存在较厚的 石墨烯, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大, 因此降温造成石 墨烯的表面含有大量褶皱
在Ni膜上的SEM照片
不同层数的TEM照片
图8 CVD法制得的石墨烯照片
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转移到二氧化硅/硅 上的光学照片
Fig.8 The photos of graphene prepared by CVD methods
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氧化石墨还原法 （Reduction Of Oxided Graphene Method）
氧化石墨含有大量的羟基和羧基等官能团,其层间距 (0.7～1.2 nm)也较石墨的层间距大(0.335 nm) 研究表明, 由于大量氧官能团的存在,使得氧化石墨经过适当的超声 处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散,成为均匀的单层 氧化石墨溶液。 此方法存在的缺点是石墨烯片容易发生皱褶或折叠, 另外,由于不能彻底消除石墨烯片上的官能团,所以此法所 制得的石墨烯片厚度较大,一般在1 nm以上。
石墨烯进行纳米压横处理的 原理图。 图4 石墨烯机械性能测试
Fig.4 Mechanical property testing of graphene
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Preparation of graphene
CVD法
Sheldon,you understand?
外延生长 法 微机械剥离 法
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CVD法(Chemical Vapor Deposition))
CVD 法，即化学气相沉积法，可获得大面积, 厚度可控 的高质量石墨烯, 并与现有的半导体制造工艺兼容。首先在 SiO2/ Si 衬底上沉积厚度为300 nm 的金属Ni, 然后将样品放 置于石英管内, 在氩气气氛下, 加热到1000 ℃ , 再通入流动 的混合气体( CH4：H2 :Ar=50:65:200) , 最后在氩气气氛下, 快速冷却( 冷却速率为~10 ℃／s ) 样品至室温, 即制得石墨 烯薄膜。把镍用溶剂腐蚀掉以使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面, 进而可以把石墨烯转移到任何所需的衬底上。用制作镍层图 形的方式, 能够制备出图形化的石墨烯薄膜。他们发现, 这种 快速冷却的方式, 是后期从基体上有效分离石墨烯片的决定 性因素。 此法制得的样品未经强烈的机械力以及化学药品的处理, 从而保证了石墨烯样品的结晶完整度, 以期获得高导电性和 高机械性能的石墨烯片。
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