石墨烯的应用课讲
石墨烯科普讲解稿-“烯”世之材
石墨烯科普讲解稿-“烯”世之材2009年上映了一部电影《阿凡达》，相信在座很多朋友还对它印象深刻。
在电影里讲述了人类来到潘多拉星球，不惜破坏生态，屠戮原住民，为的就是得到这个星球上一种特殊的资源，电影里称它为难得的元素。
这可不是瞎编出来的词，在航空领域人们用“难得的元素”形容性能完美的材料，比如，轻的像空气却又坚硬的像钢铁。
今天，我要为大家介绍一种全新的材料——石墨烯，它就是我们梦想中的一种“难得的元素”。
石墨烯跟石墨，钻石甚至我们呼出的二氧化碳一样，都是由碳原子构成的。
碳原子的排列方式不同，赋予了它们不同的性能。
我们可以看到石墨是由碳原子以六边形排列然后堆积形成的层状结构。
1毫米厚的石墨包含大约300万层这种结构，如果你只分离出一层原子的石墨，那就是石墨烯。
石墨好比一本厚厚的书，而石墨烯就是里面的一页纸。
上学时写作业写错了，墨水笔又擦不掉怎么办？有一个非常好用的小工具——胶带，轻轻用力，本子上的错字就可以被粘下来了。
让我们把镜头拉至英国，2004年某一个星期五的早晨，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫就用胶带从石墨上撕下了石墨烯。
从此以后全世界都开始撕石墨烯，两人也因为这样的奇思妙想获得了2010年度诺贝尔物理学奖。
石墨烯究竟有何过人之处呢？石墨烯是目前发现的最轻、最薄、最强的材料，还具有非常好的导电导热性能。
薄如蝉翼这个词都不足以形容它。
它只有一个原子的厚度，是头发的二十万分之一。
并且它的柔韧性非常好，可以延展到原来的20%。
但它的强度却是钢的两百倍，理论计算1毫米厚度的石墨烯能够撑起一只大象的重量。
石墨烯的种种独特的性质，将它从实验室一步步推向商业和工业的应用。
展望未来，科学家为我们勾勒了石墨烯应用的美好前景，只需几分钟就完成充电的手机，把卫星导航系统集成在汽车玻璃上，可以卷成报纸筒的笔记本电脑，或者把大海变成巨大的淡水库……这些或许都不再是天方夜谭。
纳米科技中的石墨烯应用介绍
纳米科技中的石墨烯应用介绍石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，厚度只有一个碳原子的厚度。
它具有许多独特的物理和化学特性，使其在纳米科技领域中应用广泛。
本文将介绍纳米科技中石墨烯的应用。
首先，石墨烯在电子器件方面有着重要的应用。
由于石墨烯具有高载流子迁移率、高电导率和高热导率等特性，它成为了制造晶体管、晶体管阵列和传感器等高性能电子器件的理想材料。
与传统的硅基材料相比，石墨烯的热稳定性更强，能够在更高的温度下工作。
此外，石墨烯还可以用于制造柔性电子器件，使得电子产品更加轻薄、柔韧。
其次，石墨烯在能源领域也有着诸多应用。
石墨烯作为一种高效导电材料，广泛应用于锂离子电池和超级电容器等能源存储装置中。
由于石墨烯具有大的比表面积和优异的电化学性能，能够提高能源存储装置的能量密度和循环寿命。
此外，石墨烯还可以应用于太阳能电池、燃料电池和光催化等领域，提高能源转换效率。
另外，石墨烯在材料加固方面也有着广阔的应用前景。
石墨烯被广泛用作增强材料的添加剂，可以大幅度提高材料的力学性能。
石墨烯的高强度和高刚度使其在制备复合材料中起到了很好的增强作用。
例如，将石墨烯纳米片添加到聚合物基体中，可以大幅度提高聚合物的强度和导热性能。
这种强化效果对于航空航天和汽车行业的应用尤为重要，有助于提高材料的轻量化和结构强度。
此外，石墨烯在生物医学领域的应用也备受关注。
石墨烯具有良好的生物相容性和生物降解性，可以作为药物载体在药物传递和缓释方面起到重要作用。
石墨烯纳米片可以用于制备纳米药物，可以通过控制石墨烯的尺寸和形状来调控药物的释放速率和靶向性。
此外，石墨烯的高导电性还可以用于生物传感器和医学成像等领域，提高传感器的灵敏度和图像的分辨率。
总之，纳米科技中石墨烯的应用非常广泛。
石墨烯在电子器件、能源存储、材料增强和生物医学等领域起到了重要作用。
随着对石墨烯材料性能的深入理解和制备工艺的不断改进，相信石墨烯的应用前景将会更加广阔，对于推动纳米科技的发展将发挥重要作用。
2024版《石墨烯的研究》PPT课件
目录•引言•石墨烯的基本性质•石墨烯的制备方法•石墨烯的应用领域•石墨烯的挑战与前景•结论引言石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料。
石墨烯具有极高的电导率、热导率和机械强度等优异性能。
石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注，被认为是未来材料科学的重要发展方向之一。
石墨烯的背景与概念0102 03推动材料科学的发展石墨烯作为一种新型材料，其研究有助于推动材料科学的发展，为制备更高性能的材料提供新的思路和方法。
促进相关产业的发展石墨烯的优异性能使其在电子、能源、生物等领域具有广泛的应用前景，其研究有助于促进相关产业的发展。
提高国家科技实力石墨烯作为一种具有重要战略意义的材料，其研究水平的提高有助于提高国家的科技实力和竞争力。
石墨烯的研究意义国内研究现状国内石墨烯研究起步较早，目前已经取得了一系列重要成果，包括石墨烯的制备、表征、应用等方面。
国外研究现状国外石墨烯研究也非常活跃，许多国际知名大学和科研机构都在开展石墨烯相关的研究工作。
发展趋势未来石墨烯的研究将更加注重应用基础研究，探索石墨烯在各个领域的应用潜力，同时加强石墨烯的规模化制备和产业化应用等方面的研究。
国内外研究现状及发展趋势石墨烯的基本性质石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
二维碳纳米材料石墨烯中的碳原子以六边形进行排列，每个碳原子与周围三个碳原子通过σ键相连，形成稳定的晶格结构。
碳原子排列方式石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm ，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子均为sp2杂化。
原子尺寸零带隙半导体石墨烯是一种零带隙半导体，其载流子在狄拉克点附近呈现线性色散关系，具有极高的载流子迁移率。
高电导率由于石墨烯中载流子的特殊性质，其电导率极高，甚至超过铜等传统导体。
量子霍尔效应在低温强磁场条件下，石墨烯会表现出量子霍尔效应，这是其独特电学性质之一。
石墨烯的强度极高，其抗拉强度是钢铁的数百倍，同时具有优异的韧性。
石墨烯的性质及其应用
石墨烯的性质及其应用上课班级:年级:专业:学号:姓名:电话:1、石墨烯的特性:导电性: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。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
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。
石墨烯最大的特性是其中电子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。
石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约 2.3%的可见光。
而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现机械特性:石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
电子的相互作用:利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯?伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密: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。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。
这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。
科学家利用这一强光源观测发现,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。
化学性质:我们至今关于石墨烯化学知道的是: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。
这一点未得到解决,研究石墨烯化学将面临重重困难。
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。
石墨烯的多功能应用
石墨烯的多功能应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有许多独特的物理和化学性质，被誉为21世纪最具潜力的材料之一。
石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注，其在各个领域的多功能应用也成为研究的热点之一。
本文将介绍石墨烯的多功能应用，包括电子学、光学、生物医药、能源存储等方面的应用。
一、电子学领域石墨烯在电子学领域具有重要的应用前景。
由于石墨烯具有优异的电子输运性能，可以用于制备高性能的场效应晶体管。
石墨烯场效应晶体管具有高电子迁移率、高载流子迁移速度和优良的热导率，可以用于高速电子器件的制备。
此外，石墨烯还可以用于柔性电子器件的制备，如柔性显示屏、柔性传感器等，为电子产品的发展提供了新的可能性。
二、光学领域石墨烯在光学领域也具有重要的应用价值。
石墨烯具有优异的光学性能，可以用于制备光电器件和光学器件。
石墨烯具有宽广的光学吸收谱和快速的载流子响应速度，可以用于制备高性能的光电探测器和光学调制器。
此外，石墨烯还可以用于制备超薄光学器件，如超薄透镜、超薄偏振器等，为光学器件的微型化和集成化提供了新的途径。
三、生物医药领域石墨烯在生物医药领域的应用也备受关注。
石墨烯具有优异的生物相容性和生物相互作用性，可以用于生物传感、药物传递、组织工程等方面。
石墨烯纳米材料可以作为生物传感器的载体，用于检测生物分子的浓度和活性。
此外，石墨烯还可以用于药物的传递和释放，提高药物的生物利用度和靶向性。
在组织工程方面，石墨烯可以用于细胞培养支架的制备，促进组织再生和修复。
四、能源存储领域石墨烯在能源存储领域也有重要的应用。
石墨烯具有高表面积和优异的电导率，可以用于制备超级电容器和锂离子电池。
石墨烯超级电容器具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命，可以用于储能系统和电动汽车的动力源。
石墨烯锂离子电池具有高比能量、长循环寿命和快速充放电特性，可以用于便携式电子产品和储能设备。
综上所述，石墨烯具有广泛的多功能应用，涉及电子学、光学、生物医药、能源存储等多个领域。
石墨烯材料在生物体内的应用
石墨烯材料在生物体内的应用随着科技的不断进步，石墨烯作为一种新型材料，已经成为引领未来科技发展的主要趋势之一。
近年来，人们发现石墨烯具有复杂的物理和化学性质，在生物医学领域得到了广泛的应用。
一、石墨烯的特性石墨烯是由一层石墨相连而成的超薄晶体，其具有高强度、高导电性、高热导性、高表面积、超强的拉伸强度和电化学反应性等特殊的物理和化学性质。
因此，石墨烯是一个十分有潜力的材料。
二、石墨烯在生物医学领域的应用1. 生物传感器：石墨烯具有极高的表面积和导电性质，可用于制作高灵敏度的生物传感器，可以实现高灵敏的检测和分析。
2. 细胞成像：石墨烯作为一种有利于光学成像的材料，可以在生物体内被光源激活，发出不同颜色的荧光，可以用于细胞成像。
3. 药物传递：利用其高表面积，石墨烯可以被用作药物或其他生物大分子的载体，能够有效地传递药物到患者的身体内。
4. 细胞治疗：石墨烯可以被用于治疗癌症和其他疾病。
石墨烯可以被利用来引导由DNA和RNA构成的特殊分子以精确定位分子关键位置，这些关键位置是药物传递的有效靶点。
5. 细胞培养：石墨烯薄片可以用作细胞培养基底，具有良好的生物相容性。
同时，具有优良的化学和物理性质，对细胞的生长和发展是有益的。
三、石墨烯在生物体内的安全性问题虽然石墨烯具有很多有利的特性，但是在生物体内的安全性始终是一个有待解决的问题。
在使用中，要重视石墨烯的生物相容性，尽可能减少石墨烯对细胞和组织的损伤。
此外，在研究和开发新的石墨烯应用时，应具备先进的技术和科学实验室，并要严格控制石墨烯的制备、处理和使用过程中产生的毒性物质。
四、未来展望石墨烯在生物学领域的研究将是一个长期的课题，未来的应用范围将会更加广泛。
石墨烯可以被用于治疗各种疾病，特别是癌症。
虽然目前还存在一些未解决的安全性问题，但是相信未来随着科技的进步和研究的不断深入，石墨烯必将成为一种十分有潜力的医疗工具。
2024石墨烯技术PPT课件
contents •石墨烯概述•石墨烯制备方法•石墨烯表征技术•石墨烯应用领域•石墨烯产业发展现状与趋势•总结与展望目录石墨烯定义与结构定义结构石墨烯的每个碳原子与周围三个碳原子通过共价键连接，形成稳定的六边形结构。
这种结构使得石墨烯具有出色的力学、电学和热学性能。
石墨烯性质与特点力学性质石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，可以弯曲成各种形状而不断裂。
电学性质石墨烯具有优异的导电性能，电子在其中的移动速度极快，使得石墨烯成为理想的电极材料。
热学性质石墨烯具有极高的热导率，可以快速地将热量从一个区域传递到另一个区域，这使得石墨烯在散热领域具有广阔的应用前景。
光学性质石墨烯对光的吸收率很低，且透光性极好，这使得石墨烯在透明导电薄膜等领域具有潜在的应用价值。
石墨烯发现历程及意义发现历程石墨烯最初是由英国曼彻斯特大学的两位科学家通过机械剥离法从石墨中分离出来的。
这一发现引起了科学界的广泛关注，并开启了石墨烯研究的新篇章。
意义石墨烯的发现不仅打破了二维晶体无法稳定存在的传统认知，而且为材料科学、凝聚态物理以及电子器件等领域的发展带来了新的机遇。
石墨烯的优异性能使得它在能源、环保、医疗、航空航天等领域具有广阔的应用前景，有望引领新一轮的技术革命和产业变革。
机械剥离法01020304原理优点缺点应用领域化学气相沉积法在高温下，碳源气体在催化剂表面分解并沉积形成石墨烯。
可控制备大面积、高质量的石墨烯；与现有半导体工艺兼容。
设备成本高，制备过程中可能产生有毒气体。
透明导电薄膜、电子器件、传感器等。
原理优点缺点应用领域原理优点缺点应用领域氧化还原法利用溶剂将石墨剥离成单层或少层石墨烯，适用于大规模生产。
液相剥离法碳化硅外延法电弧放电法激光诱导法通过高温处理碳化硅晶体，使其表面外延生长出石墨烯，适用于制备高质量石墨烯。
利用电弧放电产生的高温高压条件，将石墨转化为石墨烯，但产量较低。
利用激光束照射石墨表面，诱导出石墨烯，但设备成本较高。
石墨烯的功能化及其相关应用
石墨烯的功能化及其相关应用一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便以其独特的电子、热学和机械性能，引起了全球科研人员的广泛关注。
由于其具有超高的电子迁移率、超强的导热性和极高的力学强度，石墨烯被誉为“黑金”，并有望引领新一轮的工业革命。
本文旨在深入探讨石墨烯的功能化方法，以及这些功能化后的石墨烯在各个领域的应用前景。
我们将从石墨烯的基本性质出发，详细阐述其功能化的基本原理和技术手段，包括化学修饰、物理掺杂等。
随后，我们将对石墨烯在能源、电子、生物医学、复合材料等领域的应用进行详细介绍，并分析其潜在的市场价值和挑战。
我们将对石墨烯功能化及其应用的未来发展趋势进行展望，以期能为相关领域的科研工作者和从业人员提供有益的参考和启示。
二、石墨烯功能化的方法石墨烯作为一种二维碳纳米材料，拥有出色的电学、热学和力学性能，这使得它在多个领域具有广泛的应用前景。
然而，原始石墨烯的化学稳定性较高，与大多数溶剂和分子的相容性较差，这限制了其在实际应用中的使用。
因此，对石墨烯进行功能化修饰，以提高其与其他材料的相容性和稳定性，成为了石墨烯研究领域的重要方向。
目前，石墨烯的功能化方法主要包括共价键功能化和非共价键功能化两大类。
共价键功能化是通过化学反应将官能团或分子共价连接到石墨烯的碳原子上。
这种方法可以精确控制石墨烯的化学性质，实现对其电子结构和性质的调控。
常见的共价键功能化方法包括重氮反应、环加成反应和自由基加成反应等。
通过这些方法，可以在石墨烯上引入羟基、羧基、氨基等官能团，从而改善其在溶剂中的分散性和与其他材料的相容性。
非共价键功能化则是通过物理相互作用，如π-π堆积、静电作用、氢键等，将分子或聚合物吸附到石墨烯表面。
这种方法不需要破坏石墨烯的碳碳共价键，因此可以在保持石墨烯原有性质的基础上，实现对其功能的拓展。
常见的非共价键功能化方法包括π-π堆积作用、表面活性剂包裹和聚合物吸附等。
石墨烯的多功能应用
石墨烯的多功能应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有许多独特的物理和化学性质，被誉为21世纪最具潜力的材料之一。
石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注，其在各个领域的多功能应用也成为研究的热点之一。
本文将介绍石墨烯的多功能应用，包括在电子学、光学、生物医药、能源领域等方面的应用。
一、电子学领域石墨烯在电子学领域有着广泛的应用前景。
由于石墨烯具有优异的电子传输性能，可以用于制备高速、高频的电子器件。
石墨烯场效应晶体管是其中的一个重要应用，可以实现超高频的工作，有望取代硅材料成为下一代电子器件的主要材料。
此外，石墨烯还可以用于柔性电子器件的制备，可以制备出柔性、透明的电子产品，如柔性显示屏、可穿戴设备等，为电子产品的发展带来新的可能性。
二、光学领域石墨烯在光学领域也有着重要的应用。
石墨烯具有优异的光学性能，可以吸收几乎所有波长的光线，并且具有很高的光学透明度。
这使得石墨烯在光学器件中具有广泛的应用前景，如用于制备光学传感器、光学调制器等。
此外，石墨烯还可以用于制备超薄光学器件，如超薄透镜、超薄偏振器等，为光学器件的微型化和集成化提供了新的途径。
三、生物医药领域石墨烯在生物医药领域的应用也备受关注。
石墨烯具有优异的生物相容性和生物吸附性，可以用于制备生物传感器、药物载体等。
石墨烯纳米材料可以作为药物的载体，用于癌症治疗、基因传递等领域。
此外，石墨烯还可以用于制备生物成像材料，如石墨烯氧化物可以作为生物荧光探针，用于生物成像和诊断。
四、能源领域石墨烯在能源领域的应用也具有重要意义。
石墨烯具有优异的导电性和光催化性能，可以用于制备高效的光催化剂、电催化剂等。
石墨烯基复合材料可以用于制备超级电容器、锂离子电池等高性能能源储存器件。
此外，石墨烯还可以用于制备太阳能电池、燃料电池等新型能源器件，为可再生能源的开发和利用提供了新的途径。
综上所述，石墨烯作为一种具有多功能应用潜力的材料，正在各个领域展现出其独特的优势和应用前景。
石墨烯的研究课件
❖ 石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效 率非常高的新一代太阳能电池。展望其今后 的应用领域，首先是透明导电膜领域，其次 是中间电极等领域
石墨烯的研究
❖ 在一般情况下要确保大范围波长领域的透明性，载 流子的密度越低越好。不过，由于导电率与载流子 迁移率和载流子密度的乘积成比例，因此如果载流 子迁移率不是很高，那么较小的载流子密度也就意 味着导电率较小。其典型示例就是玻璃这种绝缘体。 无论多透明，只要电流不能通过，就没有任何意义。
石墨烯的研究
三、对石墨烯在太阳能上应用前景的 分析与研究方向设想
❖ 两个应用方向：将石墨烯作为新一代太阳能 电池的主体材料（即产生光伏效应的材料 料）；将石墨烯作为现有光伏材料的透明电 极，利用它的高透光性和高电导率特性。
❖ 第一步制造石墨烯，第二步形成石墨烯pn结， 石墨烯本身不存在内建电场，要改变石墨烯 中部分的费米面高度，从而固件出能带弯曲， 形成内建电场。掺杂是很好的手段。
石墨烯的研究
❖ 5、石墨烯的热载流子效应 石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室 温和普通光照射下，就可以发生热载流子效 应，产生电流。当光照在石墨烯上时，可以 产生两个具有不同电气特性区域，进而出现 温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不 一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中 的碳原子核保持第二年。正是由于石墨烯的 光电反应现象更为丰富。
❖ 美国两组科学家用圆柱状的碳纳米管制造出 几十纳米宽的石墨烯带。
❖ 石墨烯导电性好，纤薄，透明，坚硬，非常 适用于显示屏和太阳能电池板。
❖ 带状石墨烯的用处更大，在10纳米左右的宽 度上，电子被迫纵向移动，使石墨烯可以像 半导体一样起作用。
石墨烯的研究
❖ 从半导体工业借鉴过来的刻蚀技术切开纳米 管，再将纳米管粘附到一个聚合物薄膜上， 接着使用经过电离的氩气来刻蚀每个纳米管 的每个条带，得到的石墨烯带的宽度仅为1020nm，具有导电性能，因此在电子工业将有 广泛的应用，他们用石墨烯已经制造出了基 本的晶体管。
石墨烯课件
湖北工业大学 轻工学部
桂福寿
四、目前国内主要的应用领域
这将为21世纪材料领域 带来一场巨大的改革，石墨 烯将代替硅的时代即将来临。
湖北工业大学 轻工学部
桂福寿
石墨烯所做的纤维强度之高 令人惊叹
非常轻的石墨烯所做的 电子元器件
石墨烯透明导电膜所做的手机屏幕 将会有很大的研究潜力
湖北工业大学 轻工学部 桂福寿
③ 氧化还原法：氧化-还原法制备成本低廉易实现，成为制备石墨烯的最佳方法 氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)， 经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨 表面的含氧基团，得到石墨烯。 ④ 溶剂剥离法：将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声 波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层 剥离，制备出石墨烯。缺点是产率很低。
石墨烯透明导电膜 以及手机元器件
利用石墨烯的优良 湖北工业大学导电能力做的锂电视 轻工学部 桂福寿
二、石墨烯的制备方法
① 微机剥离法：定向热裂解石墨剥离并观测到单层石墨烯， 但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求 ② 化学气象沉积法：CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生 成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。 CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍 的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产
生产并不难，难在批量化 研究年代短，属于新领域
目前申请的石墨烯专利多为制备方面，即集中在石墨烯生 产领域，缺少石墨烯在应用领域中的发现。
湖北工业大学 轻工学部
桂福寿
湖北工业大学
桂福寿 1110412106 11材工一班 轻工学部 桂福寿 2014年11月10日
石墨烯及其应用
⽯墨烯及其应⽤⼀.⽯墨烯的结构及性能简介：⽯墨烯是由单质C 构成的层状平⾯结构，每个C 通过2sp 杂化与周围C 原⼦构成正六边形的环，没个C 原⼦贡献剩余的⼀个p 轨道电⼦⾏成⼤π键，π电⼦可以⾃由移动，因⽽⽯墨烯有良好的导电性。
单层⽯墨烯厚度仅0.35mm ，约为头发丝直径的⼆⼗万分之⼀。
在⽯墨烯的每个六边形结构单元中含有2个C 原⼦，因为每个C 原⼦有1/3属于该六边形中，六边形的⾯积为0.052平⽅纳⽶，⽯墨烯的密度为0.77毫克每平⽅⽶。
⽯墨烯的结构⾮常稳定，碳碳键仅为1.42?。
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。
这种稳定的晶格结构使⽯墨烯具有优秀的导热性。
另外，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，⽯墨烯内部电⼦受到的⼲扰也⾮常⼩。
电⼦在⽯墨烯中运动时不易被散射，其迁移率可达)/(cm 10225s V ?? ，是Si 中电⼦迁移率的140倍。
⽯墨烯最⼤的特性是其中电⼦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。
这使得⽯墨烯中的电⼦，或更准确地，应称为“载荷⼦”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微⼦⾮常相似。
此外，⽯墨烯在是温下还是导电性很好的材料。
⽯墨烯还是已知材料中强度和硬度最⾼的材料，1平⽅厘⽶的⽯墨烯层⽚能承重4kg 。
因此在复合材料领域有很强的应⽤价值。
⼆.⽯墨烯的制备⽅法：I .机械剥离法虽然⽯墨烯同⼀六边形内的C 原⼦之间作⽤⼒很强，但由于其特殊的层状结构，层与层之间的范德⽡尔斯⼒却是很弱，因此便提供了⼈们直接将⽯墨烯撕下来的可能。
盖姆等⼈提供了⼀种简单的⽅法，就是⽤胶带黏住是名⽚的两侧反复剥离从⽽得到⽯墨烯。
这种⽅法得到的⽯墨烯⼀般在⼏微⽶⼗⼏微⽶之间，最⼤能到毫⽶量级，⼈们⽤⾁眼便可观察。
石墨烯-最终版PPT课件
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14
小结
这种方法生长石墨烯是最有可能实现C 基集成 电路的有效途径之一。但单晶SiC的价格昂贵，石墨 烯的制作成本非常高，生长条件苛刻，目前还难以实 现大面积制备。
在可控制备及性能研究上存在着以下问题： 外延石墨烯的可控生长机制有待进一步深入研究， 其生长的可控性(层数、晶畴大小、大面积均匀一致 性)有待进一步增强。
机械剥离法 化学气相沉积法（CVD） 表面外延生长法 氧化石墨还原法 ……
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6
利用机械力将石墨烯片从高度定向热解石墨表面剥离开来 的制备方法。Geim等就是采用微机械剥离法得到了石墨 烯，并进行了表征 ，他们将薄片的两面粘在一种特殊的胶 带上，通过撕开胶带将石墨烯剥离开，制备的石墨烯片最 大宽度可以达到10um以上。目前，该法仍是制备石墨烯 最简单直接的方法。
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4
石墨烯的性质
极高的载流 子迁移率， 常温下超过 15000 cm2/V·s
世界上电 阻率最小 的材料
——多才多艺
极高的强度，理论 弹性模量1000GPa、 拉伸强度125GPa
石墨烯
良好的透光性， 单层只吸收 2.3%的光
较大的比表 面积 2600m2/g
导热系数高达
5300W/m·K
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5
石墨烯的制备
表面外延生长法 机械剥离法
化学气相沉积法
氧化石墨还原法
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表面外延生长法
表面外延生长法是渗碳原 理的进一步推广，提高了 石墨烯的晶体完整度，但 该法的成本比前面两种方 法更高。
氧化石墨还 原法
机械剥离法
表面外延生长法
化学气相沉积法
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其他方法如有机合成法、 直接超声剥离法甚至生物 还原法等都提供了可供借 鉴的思路。将不同的方法 结合起来也有一定的前景。
石墨烯在大学中的应用教案
课时：2课时教学目标：1. 了解石墨烯的基本性质、制备方法及其应用领域。
2. 理解石墨烯在能源、电子、医疗等领域的应用原理。
3. 培养学生的科研兴趣和创新能力。
教学重点：1. 石墨烯的基本性质和制备方法。
2. 石墨烯在能源、电子、医疗等领域的应用原理。
教学难点：1. 石墨烯在各个领域的应用原理。
2. 石墨烯制备过程中的难点。
教学过程：第一课时：一、导入1. 提问：同学们，你们知道石墨烯是什么吗？它在我们的生活中有哪些应用？2. 引导学生思考石墨烯的基本性质和制备方法。
二、新课导入1. 介绍石墨烯的基本性质：单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯等。
2. 讲解石墨烯的制备方法：机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。
三、应用领域1. 能源领域：石墨烯超级电容器、石墨烯太阳能电池、石墨烯储氢材料等。
2. 电子领域：石墨烯场效应晶体管、石墨烯触摸屏、石墨烯传感器等。
3. 医疗领域：石墨烯生物传感器、石墨烯药物载体、石墨烯组织工程等。
四、案例分析1. 以石墨烯超级电容器为例，讲解其在能源领域的应用原理。
2. 以石墨烯场效应晶体管为例，讲解其在电子领域的应用原理。
3. 以石墨烯生物传感器为例，讲解其在医疗领域的应用原理。
五、课堂小结1. 总结石墨烯的基本性质、制备方法及其应用领域。
2. 强调石墨烯在各个领域的应用原理。
第二课时：一、复习导入1. 复习上节课所学的石墨烯基本性质、制备方法及其应用领域。
2. 引导学生思考石墨烯制备过程中的难点。
二、深入探讨1. 讨论石墨烯制备过程中的难点，如如何提高石墨烯的产量、降低制备成本等。
2. 分析石墨烯在各个领域的应用前景。
三、小组讨论1. 将学生分成若干小组，讨论石墨烯在以下领域的应用：a. 能源领域b. 电子领域c. 医疗领域2. 各小组汇报讨论成果。
四、课堂小结1. 总结石墨烯在各个领域的应用原理和前景。
2. 强调石墨烯制备过程中的难点及其解决方案。
五、课后作业1. 查阅资料，了解石墨烯在某个领域的最新研究成果。
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单层石墨烯的价带与导带相交于布里渊 区的六个顶点，这些顶点就是狄拉克点。由 此，我们发现石墨烯是一种特殊能带结构的 零带隙半导体材料。
➢低电阻率 ➢高迁移率 ➢高迁移速度 ➢半整数量子霍尔效应
石墨烯三维能带结构图
2、特性
2.2 力学特性
2008年，美国哥伦比亚大学两名华裔科 学家研究发现，GR是至今测量过的强度最大 的材料，比结构刚的强度要高200倍。
1、简介
“二维结构”从想象到现实
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其 厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显 微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。
1、简介
石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成 0D的富勒烯，卷成1D的碳纳
5.4 超级电容器
石墨烯以其优异的物理化学性质迅速引起了超级电容器研究人员的强烈兴趣。
➢良好的导电性 ➢高比表面积 ➢优异的柔韧性 ➢良好的机械性能
美国加州大学洛杉矶分校和日本物质材料研究机构各自开发出了使用石墨烯作为电 极、能量密度与充电电池相当的电容器。两者在制造石墨烯时都开发了独自的方法，有 利用制造消费类产品的技术的，也有在石墨烯中加入碳纳米管的。
5、应用前景
5.3 散热薄膜
智能手机所采用的CPU速度不断增大，内存容量扩大，操作系统性能提高，超薄的 机身，对散热的要求逐渐增大。为了能够让手机热量更快散出去，不少手机厂商都会给 手机贴上石墨散热片。目前国内市场上销售的智能手机越来越多的采用石墨片作为导热 材料，例如苹果、三星、HTC、小米、魅族等等。
机械剥离 法
化学气相 SiC热分
沉积法
解法
氧化石墨 烯还原法
3、制备方法
3.1 机械剥离法
机械剥离法，是一种反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯的方 法，缺点是很难控制所获得的石墨烯片的大小及层数。而且只能勉强获得数mm见 方的石墨烯片。其优点是，可以获得采用其他方法时无法实现的极高品质石墨烯 片。还有人指出，“正是因为机械剥离法的出现才使石墨烯的分离研究在短时间 内取得了进展”。
时间 2008年12月 2010年09月 2010年12月 2010年12月
单位 IBM UCLA SAIT IBM
栅长 150nm 144nm 180nm 240nm
截止频率 26GHz 300GHz 202GHz 230GHz
5、应用前景
5.2 触摸面板
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（ITO） 。 由于其透明性与导电性的优秀结合，ITO被广泛地应用于电子器件。然而ITO在 使用过程中也存在一些缺点，包括：
3、制备方法
3.2 化学气相沉积法
另外，制造大面积石墨烯膜也已成为可能。采用的方法是化学气相沉积法。 这是在真空容器中将甲烷等碳源加热至1000℃左右使其分解，然后在Ni及Cu等金 属箔上形成石墨烯膜的技术。2010 年6 月韩国成均馆大学与三星电子等宣布，开 发出了可制备30 英寸单层石墨烯膜的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面 板，这一消息让石墨烯研究人员及技术人员感到十分吃惊。不过，在1000℃高温 下采用的工艺只能以分批处理的方式推进，这是该制造工艺的瓶颈。而且这种工 艺还存在反复转印的过程中容易混入缺陷及杂质的问题。
4 、石墨烯的表征
4 .4X射线衍射（ XRD ）
XRD可用来表征石墨烯的合成过程，对每一步反应进行监控。从图可以看 到，石墨的（002）衍射峰在2=26.7度，对应d=334pm；而在经过氧化 后，（002）衍射峰消失不见，同时（002）衍射峰变强，对应2=11.7度 ，d=758pm，层间距变大应该是石墨层上引入含氧官能团的缘故
4 、石墨烯的表征
4 .5原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜是石墨 烯片层结构最有力、最直接有效的工具。它可 以清晰地反应出石墨烯的大小、厚度等信息。
4 、石墨烯的表征
4.6其它方法
热重—示差扫描 : 用于分析温度变化过程中的物理化学变化，如晶型转变 、物质含量、相态变化、分解和氧化还原等，研究样品的热失重行为和热
5、应用前景
5.5 光电探测器
石墨烯在光电子学和光电探测应用领域极有潜力。
优点：
➢光谱带宽广 ➢响应迅速
缺点：
➢光吸收能力弱 ➢缺乏产生多倍载荷子的增益机制
石墨烯极高的导电性着实令科学家着迷，也因此激发了科学家利用石墨烯来设 计超高速光电探测器。传统的硅基光电探测器不能折叠，也不便宜，而且不够灵 敏。多年来，一种便宜、可折叠的光电探测器一直是科学家们的梦想。单层石墨烯 似乎可以胜任。然而单层石墨烯吸收光子的能力比硅还差，仅有2.3%的光子被吸 收。我们所需要的是一种迫使更多光被吸收的方法。
3、制备方法
3.4 氧化石墨烯还原法
第4 种制作工艺是三菱气体化学2000 年开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使 石墨粉氧化，然后放入溶液内溶化，在基板上涂上薄薄的一层后再使其还原。目 前，这种方法用于制作大面积透明导电膜以及采用涂布工艺制作的薄膜晶体管。 尽管该工艺的温度较低而且方法简单，但由于采用折叠多个数十nm 见方断片的构 造，而且不能完全还原，因此存在的课题是很难确保充分的导电性及透明性。
4 、石墨烯的表征
4 .1拉曼光谱（ Raman ）
R a m an结果示,1 580 cm - 1附近出现的 G 峰来源于一阶 E 2g声子平面 振动, 反映材料的对称性和有序度 ，2 670 cm - 1附近的 2D 峰是双声子共 振拉曼峰, 其强度反映石墨烯的堆叠程度 ，石墨烯层数越多, 碳原子的 s p2振动越强, G 峰越高,
2、特性
2.4 光学特性
2008年，奈尔(Nair)等人发 现石墨烯在近红外和可见光波 段具有极佳的光透射性。他们 将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在几 十个μm量级的孔洞上，发现单 层石墨烯的透光率可达97.7%， 而且透光率随着层数的增加呈 线性减少的趋势。
不同层数石墨烯的透射光谱
3、制备方法 石墨烯制备方法
（1）铟的价格持续上涨，使得ITO成为日益昂贵的材料； （2）ITO易脆的性质使其不能满足一些新应用（例如可弯曲的LCD、有机太阳 能电池）的性能要求；
（3）ITO的制备方法（例如喷镀、蒸发、脉冲激光沉积、电镀）费用高昂。 虽然石墨烯透明导电薄膜的研究还在初期阶段，但是石墨烯在许多方面比
ITO 具有更多潜在的优势，例如质量、坚固性、柔韧性、化学稳定性、红外透光 性和价格等。因此采用石墨烯制备透明导电薄膜是很有前景的一项工作。
3、制备方法
3.3 SiC热分解法
SiC 基板的热分解法是，将SiC 基板加热至1300℃左右后除去表面的Si，剩余 的C自发性重新组合形成石墨烯片的工艺。IBM 公司2010 年1 月将原来的机械剥离 法改为这种方法制作了石墨烯场效应管。其优点是“不会受原来SiC基板上存在的 若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片” 。而其存在的课题 是，需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数μm 见方以上，而且很难 转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC 基板。
2、特性
“最强性能”有许多
最薄最轻 载流子迁移率最高
电阻率最低 强度最大最坚硬
导热率最高
厚0.335nm，比表面积为2630m2/g 室温下为20万cm2/Vs（硅的100倍）
约为10-6Ω•cm（比铜和银更低） 破坏强度：42N/m（结构钢的200倍）
3000~5000W/mK（硅的50倍）
2、特性
5、应用前景
5.4 超级电容器
日本物质材料研究机构（NIMS）通过在石墨烯中添加CNT来制作电极。在石墨烯 中添加CNT之后，CNT会通过自组织方式自然地进入石墨烯中。这就制造了适当的间 隙，是电流及离子的密度增加。最后使输出功率密度与能量密度达到了前所未有的高水 平，是采用活性炭电极时的10倍。
5、应用前景
5.1 晶体管
（1）我们可以利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作THz频 率的高速动作型射频电路用晶体管，理论上估计其工作频率可达到10THz。
（2）我们正在寻找打开石墨烯带隙的方法，从而可以用石墨烯制作逻 辑电路。
5、应用前景
5.1 晶体管
高速晶体管
世界上许多公司及大学都致力于石墨烯高速晶体管的开发，其原因之一在于 如果开发出以THz频率工作的晶体管，就可以实现电和光的控制技术无缝连接。
4 、石墨烯的表征
4 .2扫描电子显微镜（ SEM ）
GR的扫描电镜图像，可以看到GR是二维网络。GR的薄片几乎是完 全透明的，并被揉成一条卷曲的，波浪状的形状。该片的边缘部分 折叠，以便总降低表面能
4 、石墨烯的表征
4 .3透射电子显微镜（ TEM ）
4 、石墨烯的表征
TEM 分析所获得石墨烯样品的形貌。整体上石墨烯形貌是卷曲的 片状， 出现的大量褶皱起伏的片层结构， 是为了减少体系的自由 能。在TEM下，可清晰看到石墨烯呈轻纱状半透明片状结构分布， 从图中可大致估计石墨烯的层数和大小。 TEM为石墨烯的一个简 单快速的表征
2013年，该研究团队发现即使是存在缺 陷的GR仍然是目前已知的强度最高的材料。 完全由缝合晶界组成的石墨烯薄膜能保持超 高强度，这是GR在柔性电子和加强件等领域 大量应用的关键。
2、特性
2.3 热学特性
(1)石墨烯的导热率高达5300W·m-1·K-1，是铜的2倍和硅的50倍； (2)单层石墨烯的导热率与片层宽带、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关； (3) 石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点； (4) 在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。
5、应用前景
5.2 触摸面板
2013年1月24日，中科院重庆研究院正式公开宣布，该院已经在铜箔衬底上生 长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底 表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。