石墨烯PPT
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石墨烯介绍
获奖者2010年10月5日，2010年诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的研究。
PPT1安德烈·海姆，1958年10月出生于俄罗斯，拥有荷兰国籍，父母为德国人。
1987年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位。
他于2001年加入曼彻斯特大学，现任物理学教授和纳米科技中心主任。
之前拥有此荣誉头衔的人包括卢瑟福爵士，卢瑟福于1907-1919年在曼彻斯特大学工作。
他至今发表了超过150篇的文章，其中有发表在自然和科学杂志上的。
他获得的奖项包括2007年的Mott Prize和2008年的Europhysics Prize。
2010年成为皇家学会350周年纪念荣誉研究教授。
在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”——通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。
10年后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。
2010年医学奖：荷兰的两位科学家发现哮喘症可用过山车治疗。
和平奖：英国研究人员证实诅咒可以减轻疼痛。
PPT2康斯坦丁·诺沃肖洛夫，1974年出生于俄罗斯，具有英国和俄罗斯双重国籍。
2004年在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。
是安德烈·海姆的博士生。
曼彻斯特大学目前任教的诺贝尔奖得主人数增加到4名，获得诺贝尔奖的历史总人数为25位。
发现石墨属于混晶，为片层结构，层内由共价键相连，层间由分子间作用力相连。
共价键是比较牢固的，但分子间作用力（范德华力）小得多。
因此，石墨的单层是牢固的，而层间作用力很小，极易脱落。
2004年，他们发现了一种简单易行的新途径。
他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。
不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。
结构PPT3，4石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。
石墨烯ppt课件
04
缺点
设备成本高，制备过 程复杂。
液相剥离法制备过程及优化策略
过程
将石墨或膨胀石墨分散在溶剂中，通 过超声波、热应力等作用剥离出单层 或少层石墨烯。
优化策略
选择适当的溶剂和剥离条件，如超声 功率、时间、温度等，以提高剥离效 率和石墨烯质量。
优点
制备过程简单，成本低。
缺点
难以制备大面积、单层的石墨烯。
未来挑战和机遇并存局面思考
技术挑战
石墨烯制备技术仍存在一些难题 ，如大规模制备、成本控制、质 量稳定性等，需要加强技术研发
和创新。
市场机遇
随着石墨烯技术的不断突破和市场 需求的持续增长，石墨烯产业将迎 来更广阔的发展空间，企业需要抓 住机遇，积极拓展市场。
跨界融合
石墨烯产业需要与其他产业进行跨 界融合，共同推动产业升级和创新 发展，如与互联网、人工智能等产 业的深度融合。
THANKS
感谢观看
消费电子市场需求
随着消费电子产品的不断更新换代， 石墨烯在智能手机、平板电脑、可穿 戴设备等领域的应用需求将持续增长 。
新能源市场需求
石墨烯在新能源领域具有广阔的应用 前景，如太阳能电池、锂离子电池、 燃料电池等，未来市场需求将不断扩 大。
医疗健康市场需求
石墨烯在生物医疗领域的应用也逐渐 受到关注，如生物传感器、药物载体 、医疗器械等，未来市场需求有望持 续增长。
三维多孔支架、细胞培养基质、神经修复导管
石墨烯组织工程支架材料的研究进展及前景
骨组织工程、皮肤组织工程、心肌组织工程
安全性评价和毒理学问题关注
石墨烯的生物安全性问题
01 细胞毒性、免疫原性、遗传毒性
石墨烯的体内代谢和毒性机制
石墨烯简单介绍ppt课件
一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息
填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频
率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石 墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在
微电子领域也具有巨大的应用潜力。
26
石墨烯应用
透明电极
石墨烯
和
，使它在透明电
导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、
有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，
。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液
内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域 。
通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导 率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71% 能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转 换效率的55.2%。
石墨烯
1
什 么 是 石 墨 烯？
石墨烯（英文名Graphene）是一种由C原子 形成的蜂窝状的准二维结构，是C的另外一种 同素异形体。
。例如，在计算石墨和碳纳米 管特性时，通常都是从石墨烯这个基本结构单 元出发的。
石墨烯：基本结构单元
2
石墨烯的来源？
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。1mm厚的石墨 大约包含300万层石墨烯。
14
结构与性能
力学性能
石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。其
和
分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的
（抗拉强度）为42N/M2。
普通钢的强度极限大多分布在250~1200MPa范围内，即 0.25ӽ109~1.2ӽ109N/m2。如果钢具有同石墨烯一样的厚度（约 0.335nm），则可推算出其二维强度极限0.084~0.40N/m。由 此可知，
填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频
率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石 墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在
微电子领域也具有巨大的应用潜力。
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石墨烯应用
透明电极
石墨烯
和
，使它在透明电
导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、
有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，
。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液
内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域 。
通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导 率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71% 能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转 换效率的55.2%。
石墨烯
1
什 么 是 石 墨 烯？
石墨烯（英文名Graphene）是一种由C原子 形成的蜂窝状的准二维结构，是C的另外一种 同素异形体。
。例如，在计算石墨和碳纳米 管特性时，通常都是从石墨烯这个基本结构单 元出发的。
石墨烯：基本结构单元
2
石墨烯的来源？
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。1mm厚的石墨 大约包含300万层石墨烯。
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结构与性能
力学性能
石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。其
和
分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的
（抗拉强度）为42N/M2。
普通钢的强度极限大多分布在250~1200MPa范围内，即 0.25ӽ109~1.2ӽ109N/m2。如果钢具有同石墨烯一样的厚度（约 0.335nm），则可推算出其二维强度极限0.084~0.40N/m。由 此可知，
石墨烯制备
优点 • 大面积 • 高质量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
缺点 • 条件比较苛刻 • 过程比较复杂
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化学合成法
2.4化学合成方法
2010年，Mullen课题组 利用自下而上的化学合 成方法制备了石墨烯纳 米带。
1. 以10,100-dibromo9,90-bianthryl单体为前 驱体。
2. 单体热分解成双游离 基
3. 双游离基通过加聚反 应形成线性高分子链。
4. 通过环化脱氢作用形 成石墨烯纳米带。
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化学合成法
自下而上的有机合成法
• 可以制备具有确定结构而且无缺陷的石墨烯纳米带 • 可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰
从有机小分子出发制备石墨烯
• 条件比较温和 • 易于控制 • 给连续化批量制备石墨烯提供了可能
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其他方法及总结
除以上介绍的常见制备方法外，还有人研究了利用电弧法、切 割碳纳米管法、气相等离子体生长技术、静电沉积法口、原位自生 模板法等制备石墨烯。如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势， 取长补短，解决石墨烯的不稳定性、量产等问题，完善其结构和电 性能是今后研究的热点和难点，也是今后开辟新的石墨烯合成途径 的关键。
2. 升温至生长温度，使碳通过扩散进入金属中
3. 快速降温使碳从金属中偏析出来。
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CVD法
2010年，Bae课题组利用CVD法制备石墨烯，并将其转移到柔 性沉底上，得到尺寸达到30英寸的透明石墨烯电极，可作为触 摸屏幕。
10
CVD法
通过化学气相沉积在绝缘表面( 例如SiC) 或金属表 面( 例如Ni) 生长石墨烯, 是制备高质量石墨烯薄膜的重要 手段。
物理方法
1.物理方法
1.1机械剥离法 这类方法是通过机械力从石墨晶体的表面剥离出石墨烯 片层，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。
石墨烯学习资料
2020/6/19
• 光子传感器 • 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在
更大的市场上，这种传感器是用于检测光 纤中携带的信息的，现在，这个角色还在 由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去 年10月，IBM的一个研究小组首次披露了 他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人 们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池 和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的， 用它制造的电板比其他材料具有更优良的 透光性。
2020/6/19
应用前景
• 可做“太空电梯”缆线 • 据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石
墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥 有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制 造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超 坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制 造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员 称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制 造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里 并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上 强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太 空电梯缆线！
2020/6/19
2010年10月，英国曼彻斯特大学安德 烈·盖姆和其昔日的弟子康斯坦丁·诺沃肖洛 夫因在石墨烯方面卓越研究而分享了诺贝尔 物理学奖，从而使石墨烯在量子计算、生物 计算、光计算、碳纳米管等硅计算替代者中 ，脱颖而出。
石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能 ，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果 要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都 是在获得成果十几或几十年后才颁发，而石 墨烯材料的制备成功才6年时间，就获得了 诺贝尔奖。
2020/6/19
2020/6/19
• 石墨烯特性
• 结构稳定 • 韧性好 • 优秀的导电性 • 最薄 • 硬度最高 • 导热性最好 • 透光性好
• 光子传感器 • 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在
更大的市场上，这种传感器是用于检测光 纤中携带的信息的，现在，这个角色还在 由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去 年10月，IBM的一个研究小组首次披露了 他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人 们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池 和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的， 用它制造的电板比其他材料具有更优良的 透光性。
2020/6/19
应用前景
• 可做“太空电梯”缆线 • 据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石
墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥 有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制 造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超 坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制 造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员 称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制 造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里 并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上 强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太 空电梯缆线！
2020/6/19
2010年10月，英国曼彻斯特大学安德 烈·盖姆和其昔日的弟子康斯坦丁·诺沃肖洛 夫因在石墨烯方面卓越研究而分享了诺贝尔 物理学奖，从而使石墨烯在量子计算、生物 计算、光计算、碳纳米管等硅计算替代者中 ，脱颖而出。
石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能 ，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果 要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都 是在获得成果十几或几十年后才颁发，而石 墨烯材料的制备成功才6年时间，就获得了 诺贝尔奖。
2020/6/19
2020/6/19
• 石墨烯特性
• 结构稳定 • 韧性好 • 优秀的导电性 • 最薄 • 硬度最高 • 导热性最好 • 透光性好
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。
二维材料-ppt课件
石墨烯的优良性质是 建立在单层的基础上 石墨烯材料还不够稳 定，容易造成电池的 自燃。
很长的过程去反馈
氧化石墨烯的物性差 石墨烯太多
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二维材料在催化中应用
在过去的10年中，二维材料在催化方面的研究得到迅猛发展，在 传统多相催化、电催化、光催化等催化体系中得到广泛应用，尤 其在一些涉及能源催化转化的重要反应（如氧活化、水分解、二 氧化碳还原等）中表现出了独特的催化特性。
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二维材料， 何时飞入寻常百姓家
————应用前景
物理学家们迅速开 始利用这些性质尝 试开发各种各样的 应用，从可弯曲屏 幕到能量存储。
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石墨烯的结构
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石墨烯的结构
如果有五边形和七边形存在， 则会构成石墨烯的缺陷。 少量的五角元胞细胞会使石墨 烯翘曲，12个五角形石墨烯会 共同形成富勒烯。石墨烯卷成 圆桶形可以用为碳纳米管 。
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石墨烯的 结构
石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯 齿型和扶手椅型。 锯齿型石墨烯条带通常为金属型，而扶 手椅型石墨烯条带则可能为金属型或半 导体型。
4
5
石墨烯在发现前被认为是不 可能存在的
从统计物理出发可以证明 Mermin-Wagner 定理，这个定理讲的 是：任何具有连续对称性的二维热力学系统，在非零温下，其 连续对称性不可能发生自发破缺。
依据 Mermin-Wagner 定理，在非零温度下，这个情况是不可能 发生的。一个大致的物理解释是，在小于等于二维时，若出现 有序（即连续对称性破缺），Goldstone 玻色子的总能量会发散， 以至于破坏有序 现实中没有完全严格的二维系统，大家也一般会说，这个条件 放松了，最多也就是定理对应的非零温这个条件放松一点—— 大概在相当低的温度下可能找到准二维晶格——但意想不到的 是，室温下就能找到石墨烯这种东西。
石墨烯PPT课件
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
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。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。 之后，他们用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。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
石墨烯出现在实验室中是在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。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜加热 NhomakorabeaSiC法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上 分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理 得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用 俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热 使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形 成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控 地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制 备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯-最终版PPT课件
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氧化石墨还原法——低质高产
石墨 氧化
氧化石 墨
超声剥离
氧化石 墨片
还原
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石墨烯
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特点
优势：成本低廉，工艺简单，已经实现大规 模量产。含氧基团的存在使得石墨烯容易分 散在基体中，更容易和其他物质结合，便于 制造复合材料。
劣势：纯度较低，制成的石墨烯片存在大量 结构缺陷，易发生褶皱或折叠，带有许多含 氧基团，影响了石墨烯的优良性质，无法满 足一些应用领域的需要，如光电器件，储氢 材料等。
cvd法日趋成熟有望在510年实现应用用于导电散热等领域拥有含氧基团应用于药物监测催化剂等特殊领域24石墨烯电子材料领域重点领域透明电极太阳能电池柔性屏幕可穿戴设备电子材料领域重点领域透明电极太阳能电池电池负极材料替代硅的芯片材料柔性屏幕可穿戴设备散热材料领域等设备的散热问题散热材料领域解决手机计算机等设备的散热问题进一步提升性能环保监测领域方面表现优异环保监测领域功能化石墨烯及石墨烯复合材料在污染物吸附过滤方面表现优异生物医学领域石墨烯在细胞成像生物医学领域石墨烯在细胞成像干细胞工程等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景
背景
集成电路制造技术不断改进，极紫外光刻的引入， 将特征尺寸大幅度减小，下一代硅基集成电路的 特征尺寸将达到15甚至10nm以下。随之而来的 短沟道效应和介质隧穿效应等的影响，以及制造 难度的提升，将很难得到特征寸小于10nm的性 能稳定的电路产品。所以急需研究开发基于新材 料、新结构和新工艺的器件。
B. H. Hong研究组进一步发展该 法, 制备出30英寸的石墨烯膜,透 光率达97.4%。
N. P. Guisinger组的研究表明:石墨 烯的生长始于石墨烯岛，具有不同的 晶体取向,从而导致片层的结合处形 成线缺陷。
环境材料-石墨烯-PPT模版
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石墨烯利用前景
Other Uses
涂料
海水淡化 抗菌效用 多孔材料 物理研究
石墨烯基涂料可用于导电油墨，抗静电，电磁 干扰屏蔽，和气体阻隔的应用 石墨烯过滤器远优于其它海水淡化技术，与水分 子分解发电技术结合，水、电可成为廉价产品 石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效， 而且不会伤害到人体细胞
当石墨烯被释放到地表水中时，它 的硬度会增大，吸附的的有机材料 也更少，它很快就会变得不稳定， 既不能发生沉淀，也不能随水的流 动而被带走。
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【参考文献】
The Rise of Graphene. A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007) A Road Map for Graphene. K S Novoselov et al. Nature 490, 192200 (2012) The Transportation and Stability of Graphene Oxide Nanoparticles in Ground Water and Surface nphere. Environmental Engineering Science,2014
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石墨烯制备及产业化
机械分离 机械分离（Mechanical exfoliation）：最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片 从较大的晶体上剪裁下来，如用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦， 体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。产 率低、仅供实验研究。 氧化还原法 氧化还原（Oxidation-reduction）：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)，然后加入还原剂去除氧 化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。宏量制备产生废液污 染、石墨烯品质不高存在缺陷。 取向附生法 取向附生（Epitaxy）：让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却到850℃，之前吸收 的大量碳原子就会“浮”到钌表面，镜片形状的单层碳原子“ 孤岛” 布满整个基质表面， 最终生长成完整的一层石墨烯。成本高、厚度不均匀。
石墨烯
讲解提纲
一 石墨烯 （1）发现及历史
(2) 结构和性质
（3）制备及其优缺点 二 氧化石墨烯
（1）概述
（2）制备
（3）结构和性质
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（4）还原得石墨烯 （5）改性及实例
三 聚合物（氧化）石墨烯复合材料
（1）简介 （2）制备 （3）性质 四 六 应用及实例介绍 小结儿
Page 2
石墨烯凭借其独特的结构和优异的性质，一经发 现就成为国际碳材料领域研究的新热点。
Page
6
2石墨烯的结构与性质
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，其基本结 构是由碳原子以 sp2杂化键合形成的苯六元环。 石墨烯的发现使碳材料家族更加充实完整，形成 了包括：零维富勒烯，一维碳纳米管，二维石墨 烯，三维金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是组 成其它碳材料的基本结构单元，它可以堆积叠加 形成三维的石墨(graphite)；可以卷曲形成一维 的碳纳米管(carbon nanotube)；也可以翘曲形成 零维的富勒烯(fullerence)，
Page
40
性质：
3石墨烯的制备及其优缺点
1 胶带剥离法
通过对天然石墨进行微机械剥离 （Micromechanical cleavage），我们可以得到 具有结构较为规整的石墨烯。
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13
剥离过程如下：首先将具有高结晶度的高定向热 解石墨固定在用双面胶粘结好的玻璃板上，并使 用另一片粘性胶带对其进行反复撕揭，然后不停 地重复这个过程，直至得到透明的片层。最后， 将样品放入有机溶剂中，胶带被溶解后便可得到 石墨烯样品。 此法的优点是可以得到结构较为规整，单片尺寸 较大的石墨烯此法的缺点在于，由于撕揭胶带的 过程高度不可控，会导致试验的重复性非常差， 而且产量小不适合大规模生产。
一 石墨烯 （1）发现及历史
(2) 结构和性质
（3）制备及其优缺点 二 氧化石墨烯
（1）概述
（2）制备
（3）结构和性质
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（4）还原得石墨烯 （5）改性及实例
三 聚合物（氧化）石墨烯复合材料
（1）简介 （2）制备 （3）性质 四 六 应用及实例介绍 小结儿
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石墨烯凭借其独特的结构和优异的性质，一经发 现就成为国际碳材料领域研究的新热点。
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2石墨烯的结构与性质
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，其基本结 构是由碳原子以 sp2杂化键合形成的苯六元环。 石墨烯的发现使碳材料家族更加充实完整，形成 了包括：零维富勒烯，一维碳纳米管，二维石墨 烯，三维金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是组 成其它碳材料的基本结构单元，它可以堆积叠加 形成三维的石墨(graphite)；可以卷曲形成一维 的碳纳米管(carbon nanotube)；也可以翘曲形成 零维的富勒烯(fullerence)，
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性质：
3石墨烯的制备及其优缺点
1 胶带剥离法
通过对天然石墨进行微机械剥离 （Micromechanical cleavage），我们可以得到 具有结构较为规整的石墨烯。
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剥离过程如下：首先将具有高结晶度的高定向热 解石墨固定在用双面胶粘结好的玻璃板上，并使 用另一片粘性胶带对其进行反复撕揭，然后不停 地重复这个过程，直至得到透明的片层。最后， 将样品放入有机溶剂中，胶带被溶解后便可得到 石墨烯样品。 此法的优点是可以得到结构较为规整，单片尺寸 较大的石墨烯此法的缺点在于，由于撕揭胶带的 过程高度不可控，会导致试验的重复性非常差， 而且产量小不适合大规模生产。
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-PPT
2、加热SiC法
首先,样品经过氧化或H2 刻蚀表面处理,然后在 超高真空下(1 ×10 - 10 Torr) 经电子轰击加热到1 000 ℃ ,除去氧化物,并用俄歇电子能谱(AES) 监 测,当氧化物完全去除后, 加热样品至1 250 —1 450 ℃,这时将形成石墨烯层,石墨烯的厚度与加热 温度相关,且可通过AES (入射能为eV) 中 Si(92eV) 和C (271eV) 的峰强度测定石墨烯的厚 度。
康斯坦丁· 诺沃肖洛夫
安德烈· 海姆
3、结构 完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角 六边形) 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石 墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘 曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认 为是卷成圆桶的石墨烯;
可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、 一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元
双层石墨烯可降低元器件电噪声
美国IBM公司T·J·沃森研究中心 的科学家，最近攻克了在利用石墨 构建纳米电路方面最令人困扰的难 题，即通过将两层石墨烯片叠加， 可以将元器件的电噪声降低10倍， 由此可以大幅改善晶体管的性能， 这将有助于制造出比硅晶体管速度 快、体积小、能耗低的石墨烯晶体 管。
石墨烯可作为宇宙学研究的平台
其它应用
• • • • • • pH传感器 气体分子传感器 储氧材料 药物控制释放 离子筛 作为电极材料
五、石墨烯的展望
1. 电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管 2. 进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性 3. 探索单电子器件 4. 在同一片石墨烯上集成整个电路 5. 其它潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高 电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及 超灵敏传感器等领域 6. 可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制 7. 最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制 备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点 石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去， 2025年以后可能是从“硅”时代跨越到“石墨烯”
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航空航天领域应用
• 石墨烯的高导电性、高强度、超轻薄等特性， 可开发应用于航天领域的传感器，以便更精确 对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结 构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机 材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用.
这架小型飞机由巴西大 学生在航空工程学教师 保罗·恩里克斯的指导 下花费5年时间完成，是 巴西第一架完全使用碳 纤维制造的飞机并实现 每小时521公里的飞行速 度，打破了500公斤以下 级别小型飞机的飞行速 度世界纪录。
一 、石墨烯是什么?
• 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. • 2004年，英国曼彻斯 特大学物理学家安德 烈· 海姆(Andre Geim)和 康斯坦丁· 诺沃肖洛 (Konstantin Novoselov) ，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”，共同获
少层石墨烯 （Few-layer or multi-layer graphene）
• 概念：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。
移动设备——可自由弯曲手机
• 韩国三星公司在研制课弯曲显示屏上技术最成熟 。多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏， 相信大规模商用指日可待。（中科院重庆绿色智 能技术研究所的石墨烯手机已经上市了）
二、石墨烯分类
单层石 墨烯
石墨 烯
双层石 墨烯 少层石 墨烯
单层石墨烯（Graphene）
• 概念：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）
• 概念：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。
Graphene 石墨烯
张苗苗
• ★ 碳是世界上含量及广的一种元素。它具 有多样的电子轨道特性再加上异向性而导 致晶体的各向异性和其排列的各向异性， • 因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料 • 并且具有各式各样的性质。 • ★ 随着时代的变迁和科学的进步，人们不 断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳 元素的开发具有无限的可能性。
C材料的发展
C60 C纳米管 石墨烯
优点：已知材 料最薄的，强 度也是已知材 料中最高的， 石墨烯比钻石 还要坚硬．
缺点：
材料过于 昂贵，成 本高
石墨烯前景
• 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料 。
航天领 域 移动设 备 新能源 电池
石墨烯
• ★ 石墨烯作为21世纪备受全球瞩目的 “新材料”，正在走进中国百姓的生 活，并将改变他们的生活。并且未来5 年，石墨烯产业化将呈现出井喷之态 碳质材料伴随着人类走过了几千年的 路程
• 电池：将石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶 液中，进行观察。LED灯亮了。6个石墨烯电路 ，形成串联，这样就可产生所需的2V，使LED 灯发亮。
新能源电池
2015年10月9日星期五
新能源电池
• 超级电容器：由于石墨烯的特性，研制成快速 充电电池，其速度是普通电池的1000多倍。西 班牙Graphenano公司已经研制出石墨烯聚合材 料电池，充电时间不足10分钟，可跑最多1000 公里。