石墨烯的电学性质及其研究进展--第三组20130522

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CVD法制 备石墨烯 示意图
电化学法
--电化学氧化石墨棒制备石墨烯。
将两个高纯的石墨棒平行地插入含有离子液体的 水溶液中，控制电压在10-20 V，30min后阳极石墨棒 被腐蚀，离子液体中的阳离子在阴极还原形成自由基 ，与石墨烯片中的π电子结合，形成离子液体功能化 的石墨烯片，最后用无水乙醇洗涤电解槽中的黑色沉 淀物，60℃干燥2h，得到石墨烯。制备的石墨烯片层 大于单原子层厚度。
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康斯坦丁·诺沃肖洛夫
安德烈·海姆
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3、石墨烯的性质
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。
物理学家们若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，则需要施加差 不多两万牛的压力才能将其扯断。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。
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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 SiC法
--通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶面上分解出石墨烯片层。
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
微机械剥离法制备石墨烯过程
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液相或气相直接剥离法
通常直接把石墨或膨胀石墨（EG）加在某种有机 溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一 定浓度的单层或多层石墨烯溶液。
溶剂热剥离法制备石墨烯
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取向附生法
--利用生长基质原子结构“种”出石墨烯。
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 单层的碳原子布满了整个基质表面，最终它们可长成 完整的一层石墨烯。第一层覆盖 80%后，第二层开始 生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而 第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得 到的单层石墨烯薄片。
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微机械剥离法
--直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。
最早用于制备石墨烯的物理方法。在1mm厚的高定向 热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀，然后将其粘到玻 璃衬底上，接着在上面贴上1μm 厚湿的光刻胶，经烘焙 、反复粘撕，撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶 液中洗去，最后将剩余在玻璃衬底上的石墨放入丙醇中 进行超声处理，从而得到单层石墨烯。
GO
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化学气相沉积法（CVD）
反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反 应，生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面，制 得固体材料。
韩国成均馆大学研究人员在硅衬底上添加一层非 常薄的镍(厚度< 300nm)，然后在甲烷、氢气与氩气 混合气流中加热至1000℃，再将其快速冷却至室温， 即能在镍层上沉积出6~10 层石墨烯。通过此法制备 的石墨烯电导率高、透明性好、电子迁移率高。
高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄
的石墨层。
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氧化石墨-还原法
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。 该方法是目前较为常见的低成本、高效地制备大面积石墨 烯薄层材料的化学方法，可广泛应用于光电池和电化学装 置等领域。
石墨烯的电学性质及其研究进展
第三组
目录
石墨烯的基本知识 石墨烯的电学性质 石墨烯电学性能的研究进展
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石墨烯的基本知识
石墨烯的概念 石墨烯发展简史 石墨烯的性质 石墨烯的制备方法
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1、石墨烯概念
石墨烯是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。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，具有极好的结晶性、力 学性能和电学质量。
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石墨烯
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单层石墨烯及其派生物示意图
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，石墨（右） 是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成
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2、石墨烯发展简史
2004年，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9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。
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电子的相互作用
科学家利用“先进光源（ALS）”电子同步加速器 观测发现：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。
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。
电子运输
碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个
未成键的π电子，π电子可在晶体中自由移动，赋予
石墨烯良好的电子运输能力。
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导电性
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。
石墨烯中电子的运动速度极快，远远超过了电子 在一般导体中的运动速度。故石墨烯实质上是一种透 明、良好的导体，适合用来制造透明触控屏幕、光板 、甚至是太阳能电池。
石墨烯能够在常温下观察到量子霍尔效应。
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4、石墨烯的制备方法
物理方法： 从具有晶格完备性的石墨或者类似的材料来获得，
获得的石墨烯尺度都在80 nm以上。 --机械剥离法、取向附生法、加热SiC法、爆炸法。 化学方法：
通过小分子的合成或溶液分离的方法制备的，得 到石墨烯尺度在10 nm以下。 --石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气 相沉积法(CVD)、氧化石墨还原法、球磨法。