环境材料-石墨烯-PPT模版
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石墨烯精品PPT课件
富勒烯，1996诺贝尔化学奖
• C元素的同素异形体 石墨（Graphite）——
层状结构，每一层中的碳按六方 环状排列，上下相邻层通过平行 网面方向相互位移后再叠置形成 层状结构，位移的方位和距离不 同就导致不同的多型结构。
金刚石（Diamond）—— 四面体结构，四个碳原子占 据四面体的顶点。
石墨烯的基本知识
2004 年 首 次 制 成 石 墨 烯 材 料 。 这是目前世界上最薄的材料， 仅有一个原子厚。石墨烯的 发现推翻了所谓“热力学涨 落不允许二维晶体在有限温 度下自由存在”的原有认知， 震撼了整个物理界。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科 学家A. K. Geim和K. S. Novoselov，以表彰他们在石 墨烯材料方面的卓越研究。
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性 石墨烯
新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
G 制造天梯 的材料？
它是已发现强度最高的材料，比钻石还 坚硬，是最好的钢铁强度的100多倍。
八大预言
太空梯
千年虫
太空卫士
通讯卫星
太空核动力
预防地震
大脑备份
人体冷冻术
《天堂的喷泉》讲述了两 千年前，在赤道附近的岛 国塔普罗巴尼发生了一场 血腥的宫廷政变，暴君卡 利达萨借机上台。此人并 不满足于人间的欢乐，他 要在高山之巅建造天国， 向天神挑战，由是诞生了 “天堂的喷泉”。
远远超过了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。
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。
• C元素的同素异形体 石墨（Graphite）——
层状结构，每一层中的碳按六方 环状排列，上下相邻层通过平行 网面方向相互位移后再叠置形成 层状结构，位移的方位和距离不 同就导致不同的多型结构。
金刚石（Diamond）—— 四面体结构，四个碳原子占 据四面体的顶点。
石墨烯的基本知识
2004 年 首 次 制 成 石 墨 烯 材 料 。 这是目前世界上最薄的材料， 仅有一个原子厚。石墨烯的 发现推翻了所谓“热力学涨 落不允许二维晶体在有限温 度下自由存在”的原有认知， 震撼了整个物理界。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科 学家A. K. Geim和K. S. Novoselov，以表彰他们在石 墨烯材料方面的卓越研究。
石墨烯 基本概念
石墨烯 神奇特性 石墨烯
新闻时讯
石墨烯 制备方法
石墨烯 研究进展
G 制造天梯 的材料？
它是已发现强度最高的材料，比钻石还 坚硬，是最好的钢铁强度的100多倍。
八大预言
太空梯
千年虫
太空卫士
通讯卫星
太空核动力
预防地震
大脑备份
人体冷冻术
《天堂的喷泉》讲述了两 千年前，在赤道附近的岛 国塔普罗巴尼发生了一场 血腥的宫廷政变，暴君卡 利达萨借机上台。此人并 不满足于人间的欢乐，他 要在高山之巅建造天国， 向天神挑战，由是诞生了 “天堂的喷泉”。
远远超过了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。
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。
石墨烯简介PPT课件
精选
17
应用与性能的关系
E
Relation between application and performance
精选
应用与性能的关系
精选
20
应用与性能的关系
透明度大
透明电极
电导率高
触控屏幕
比表面积大
太阳能电池
力学性能好 导热系数大
晶体管 复合材料
电子迁移率高
锂离子电池
精选
21
应用与性能的关系
高温 加热
氧
渗碳
化
脱氢
剥
剥
离
离
快速
还
冷却
原
精选
7
石墨烯制备方法
石墨烯粉末及 氧化石墨产品
公司石墨烯 薄膜产品
精选
8
表征方法 Characterization Method
D
精选
石墨烯表征方法
石墨烯常见的表征方法：
1 拉曼光谱（ Raman ） 2 扫描电子显微镜（ SEM ） 3 高分辨透射电子显微（ HRTEM ） 4 X射线衍射（ XRD ） 5 原子力显微镜（ AFM ） 6 其它方法
石墨烯的优异性能
精选
19
制备方法 Preparation Method
C
精选
机械剥离法
碳纳米管横向切割法
微波法 电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石墨烯制备方法
石墨氧化还原法 电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法 化学气相沉积法
精选
6
化学气相沉积法 氧化还原法
机械剥离法
SiC外延法
石墨烯在诸多应用中扮演了什么样的角色呢？
石墨烯PPT课件
所谓石墨烯，其实就是单层的石墨。
石墨是一种碳单质，由很多层碳元
素叠加而成；当我们从中分离出单
层的石墨片，石墨烯就产生了。虽
然石墨可谓是世界上最柔软的物质
之一，但石墨可比钢铁还要坚硬百
倍！
2020/2/19
3
2010年，两个科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫因为成功制取 了石墨烯而获得了“诺贝尔奖”！
超 强 度
2020/2/19
据说，如果将食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片盖在一 只杯子上，你如果试图要用铅笔戳穿它，那么你需要 一头大象站在铅笔上。
石墨烯按六边形晶格排 列，结构稳定，常被人 误以为它很僵硬，事实 上，石墨烯具有很强的 伸展性，能在受到外力 的情况下变形。这样， 碳原子就不需要重新排 列来适应外力，保证了 其稳定结构，使其比金 刚石还要坚硬，同时可 以来回拉伸。
2020/2/19
10
石墨烯电池
石墨烯的另一个重要的应用就是石墨烯电池了。据说，三星已
经研发出了石墨烯电池!
充电五秒钟，
爆炸半个月！
三星董事长
这种新型的石墨 烯电池，5秒钟 即可给手机充满
点，但足可以使 用半个月！
石墨烯电池，利用了锂离子 在石墨烯表面和电极之间大 量穿梭运动的特性，开发出 的一种新能源电池。石墨烯 电池将促成一个新的革命。
早七（4） 张远洋
2020/2/19
1
石墨烯听起来是一个十分陌生的词汇， 石墨烯到底是什么？它有什么用？为什 么它非常的重要，让我们一起来揭秘吧
2020/2/19
2
分离石墨烯
大家想必都听说过石墨吧，生活中有很多物质都是由石墨构成的，比如：
铅笔
拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威 力”，但他万万没有想到，在当今 的技术下，“铅笔”的确有过人的 威力！用铅笔中的碳提取出来的石 墨烯是一种强度超高，甚至超过金 刚石的物质，其“威力”的确巨大 无比。
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PPT
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。
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。
石墨烯结构图ppt讲课文档
尽管特斯拉实现这种高性能石墨烯电池的量产，可能需要数年 的时间，但是只要能够做出高性能石墨烯电池，那么电动汽车就没 有什么值得挑剔的了。这也意味着，电动汽车离成为主流又更近了 一步。
第九页，共27页。
石墨烯时代
任正非在接受媒体采访时声称，未来10 至20年内会爆发一场技术革命，“我认为 这个时代将来最大的颠覆，是石墨烯时代颠 覆硅时代”，“现在芯片有极限宽度，硅的 极限是七纳米，已经临近边界了，石墨是技 术革命前沿”。这里提到的石墨烯。
第十六页，共27页。
• ③2004年，英国物理学家安德烈·海姆和·康 斯坦丁诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石 墨烯，凭借“在二维石墨烯材料的开创性实 验”，这两位科学家共同获得了2010年的 诺贝尔物理学奖。
第十七页，共27页。
• ④石墨烯的发现，之所以意义重大，是因为 它创造了诸多“纪录”。
第十八页，共27页。
第十页，共27页。
元年到来
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、 正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公 司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意 大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“ 石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。 此外，2015年3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在
• ⑤石墨烯是世上最薄的材料，只有0.34纳米厚，十万
层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径， 它比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上
100倍，每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达 到了2.9微牛左右，这意味着，如果制成包装袋，那么
它将能承受大约两吨重的物品。在石墨烯中，电子能够 极为高效地迁移，迁移速率仅为光速的三百分之一，远 远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。石墨 烯优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，从而大 幅度增加电池的容量。
第九页，共27页。
石墨烯时代
任正非在接受媒体采访时声称，未来10 至20年内会爆发一场技术革命，“我认为 这个时代将来最大的颠覆，是石墨烯时代颠 覆硅时代”，“现在芯片有极限宽度，硅的 极限是七纳米，已经临近边界了，石墨是技 术革命前沿”。这里提到的石墨烯。
第十六页，共27页。
• ③2004年，英国物理学家安德烈·海姆和·康 斯坦丁诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石 墨烯，凭借“在二维石墨烯材料的开创性实 验”，这两位科学家共同获得了2010年的 诺贝尔物理学奖。
第十七页，共27页。
• ④石墨烯的发现，之所以意义重大，是因为 它创造了诸多“纪录”。
第十八页，共27页。
第十页，共27页。
元年到来
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、 正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公 司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意 大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“ 石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。 此外，2015年3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在
• ⑤石墨烯是世上最薄的材料，只有0.34纳米厚，十万
层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径， 它比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上
100倍，每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达 到了2.9微牛左右，这意味着，如果制成包装袋，那么
它将能承受大约两吨重的物品。在石墨烯中，电子能够 极为高效地迁移，迁移速率仅为光速的三百分之一，远 远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。石墨 烯优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，从而大 幅度增加电池的容量。
石墨烯-最终版PPT课件
.
15
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
.
石墨烯
16
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-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。
石墨烯材料PPT课件
1985
第7页/共111页
石墨烯的晶格结构与其相应的倒格矢空间
第8页/共111页
石墨烯能带结构
第9页/共111页
石墨烯层数的表征方法
（1）扫描隧道显微镜（STM）
具有很高的空间分辨率，横向为 0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。
单层石墨烯厚度只有0.335nm
第10页/共111页
（2）原子力显微镜表征
石墨烯的组成与结构
第1页/共111页
石墨简介
石墨（graphite）是一种结晶形碳。 六方晶系,为铁墨色至深灰色。密度 2.25克/厘米3,硬度1.5,熔点3652℃, 沸点4827℃。质软,有滑腻感,可导 电。
化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、 碱等不易反应。在空气或氧气中加 强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧 化剂会将它氧化成有机酸。
研究人员发现单氢化及双氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性。此外，通过对 石墨烯不同方向的裁剪及化学改性可以对其磁性能进行调控。研究表明分子在石 墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的 磁阻，位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。
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石墨烯的优异特性
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• 分数量子霍尔效应和异常量子霍尔效应
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整数量子霍尔效应
1985年的诺贝尔物理学奖
量子霍尔效应只发生于二维导体。这效应促成了一种新度
量衡标准，称为电阻率量子（resistivity quantum）
h/e2；垂直于外磁场的载流导线，其横向电导率会呈现量
子化值。称这横向电导率为霍尔电导（Hall
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•外延生长法
石墨烯PPT
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
第8页，本讲稿共28页
第9页，本讲稿共28页
二、石墨烯材料的制备
兆赫(terahertz)领域。
第24页，本讲稿共28页
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。
烯的厚度。
第12页，本讲稿共28页
3、热膨胀法
用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片 ，鳞片的平均厚度约为30μm，横向尺寸在 400μm左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将 这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可 以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片 。
第13页，本讲稿共28页
4、化学法
第15页，本讲稿共28页
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。
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
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二、石墨烯材料的制备
兆赫(terahertz)领域。
第24页，本讲稿共28页
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。
烯的厚度。
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3、热膨胀法
用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片 ，鳞片的平均厚度约为30μm，横向尺寸在 400μm左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将 这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可 以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片 。
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4、化学法
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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。
石墨烯材料的优缺点PPT课件
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• 2014年，三星曾宣布发现新生产方法会将石墨烯应用于商业产品中，利用石 墨烯的延展性，三星认为可弯曲显示屏未来绝对不会仅仅是个噱头。近日， 中国科学院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸单层石墨 烯触摸屏，并正在开发系列基于石墨烯的柔性传感器件。今后手机、电脑的 显示屏将超薄、超轻，可弯曲。还值得一提的是，石墨烯将有望在环保领域 进行应用。
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• 优点一：比纸张薄
•
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈•海姆和克斯特亚•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。这么说吧，石墨烯
的厚度仅为普通纸张的十万分之一，裸眼几乎是看不到的。
第2页/共13页
• 优点二：比钻石硬
•
虽然很薄，但石墨烯却是非常强韧的材料。通俗地讲，它强过钻石，
“秒杀”钢铁。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
如果用一个平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，可以承受1公斤
石墨烯，实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚 度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。碳原子 之间相互连接成六角网格铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一 起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。它，看起来颇有未来神奇材料 的风范。虽然名字里带有石墨二字，但它既不依赖石墨储量也完全不是 石墨的特性！
第13页/共13页
率，提高储电性能。
•
• 2014年，三星曾宣布发现新生产方法会将石墨烯应用于商业产品中，利用石 墨烯的延展性，三星认为可弯曲显示屏未来绝对不会仅仅是个噱头。近日， 中国科学院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸单层石墨 烯触摸屏，并正在开发系列基于石墨烯的柔性传感器件。今后手机、电脑的 显示屏将超薄、超轻，可弯曲。还值得一提的是，石墨烯将有望在环保领域 进行应用。
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• 优点一：比纸张薄
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2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈•海姆和克斯特亚•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。这么说吧，石墨烯
的厚度仅为普通纸张的十万分之一，裸眼几乎是看不到的。
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• 优点二：比钻石硬
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虽然很薄，但石墨烯却是非常强韧的材料。通俗地讲，它强过钻石，
“秒杀”钢铁。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
如果用一个平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，可以承受1公斤
石墨烯，实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚 度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。碳原子 之间相互连接成六角网格铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一 起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。它，看起来颇有未来神奇材料 的风范。虽然名字里带有石墨二字，但它既不依赖石墨储量也完全不是 石墨的特性！
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率，提高储电性能。
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中等品位的石墨烯：触屏、可折叠电子纸、可折叠有机发光二极管（LED灯） 高品位的石墨烯：高频晶体管、逻辑晶体管、薄膜晶体管
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石墨烯利用前景
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石墨烯利用前景
Photonics
K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012)
光学偏振控制器、光电探测器、光调制器、锁模激光、太赫兹发生器等
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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石墨烯利用前景
Energy generation and storage 太阳能电池 锂离子电池 超级电容器 超级电容器 固有的优异导电性能 具备孔结构 耐高温 抗氧化过程 高表面积的石墨烯电极用膜隔 开；充电时，电解质中阴离子 （白球和蓝色球）和阳离子 （红色球）在石墨烯表面附近 积累，形成双电层
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石墨烯特性
双电极电场效应
石墨烯电学性能
手性量子霍尔效应
A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007)
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石墨烯制备及产业化
液相剥离 液相剥离（Liquid-phase exfoliation）：将少量的石墨分散于具有表面张力的溶剂中， 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。质量高、产率低。
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石墨烯特性
room-temperature electron mobility of 2.5 × 105 cm2 V−1 s−1 a Young’s modulus of 1 TPa and intrinsic strength of 130 GPa very high thermal conductivity ， above 3000 W mK−1 optical absorption of exactly πα ≈ 2.3% complete impermeability to any gases ability to sustain extremely high densities of electric current Readily chemically functionalized
supercapacitor
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石墨烯利用前景
Graphene for sensors and metrology
诺基亚石墨烯光电传感器
石墨烯对环境变化极为敏感
带有石墨烯光电收集层的光电 探测器，由一系列手指状的电 极被安置在石墨烯收集层上， 用来收集光子透过时产生的电 子空洞，石墨烯纳米带作为场 效应晶体管对随之产生的电流 进行放大，并将其转移到相连 的电子控制元件上。多层探测 和放大层被互相叠放，以此来 吸收和过滤相应颜色的光。
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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。
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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
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石墨烯制备及产业化
K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012)
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石墨烯利用前景
其它用途
电子器件
生物学应 用
光学器件
计量和感 应器
能量产生 和储存
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石墨烯利用前景
Graphene electronics
K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012)
结构稳定
外部机械力使碳原子面弯曲， 原子不必重新排列来适应外力
几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光 制成厚度相当塑料包装袋厚 度的薄膜，能承受两吨重物
透光性好
强度高
电阻率低
电子迁移速率快，达到光速 的1/300
导热系数高达；导热系数高 达5300 W/（m· K）
导热系数高
K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012)
“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原 状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力
电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质 量，帮助物理学家在量子力学领域取得新突破
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石墨烯对人类和环境的潜在影响LOGOLeabharlann 石墨烯对人类和环境的潜在影响
石墨烯纳米粒子的锯齿边缘非常锋 利和强劲，能够切开人体细胞并破 坏其内容物。 石墨烯材料与人体细胞如何作用并 不清楚。
石墨烯 —世界上最薄最坚硬的纳米材料
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目录
1
2 3 4
石墨烯发现及简介 石墨烯特性 石墨烯制备及产业化 石墨烯利用前景
5
石墨烯对人类和环境的潜在影响
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石墨烯发现及简介
石墨烯（Graphene） 由碳原子以sp2杂化轨道组成 由碳原子和其共价键所形成的原 子尺寸网 六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 一个碳原子厚度 二维材料 基本结构单元为有机材料中最稳 定的苯六元环 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至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。
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石墨烯利用前景
Bioapplications 基因测序 药物传递 用石墨烯制成一个尺寸大约 为DNA宽度的纳米洞，让 DNA分子从中通过，测量 DNA分子通过时产生的微小 电压差异，就可以知道是哪 一个碱基正在通过纳米洞。 通过调整石墨烯的亲水亲脂 性能，使其与生物膜之间可 以良好交互作用，达到药物 传递目的。
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石墨烯发现及简介
A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007)
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石墨烯发现及简介
石墨烯的同素异形体
单层石墨烯
翘曲成零维 卷成一维
堆垛成三维
富勒烯
纳米管
石墨
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石墨烯发现及简介
A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007)
化学气相沉积
化学气相沉积（Chemical vapor deposition，CVD）：以单晶镍为基片的管状简易沉 积炉，通入含碳气体，其在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过 轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。成本高、工艺复杂。 SiC合成 SiC合成法（Synthesis on SiC）：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的SiC在高真空下通 过电子轰击加热，除去氧化物，然后使样品升温至1000℃以上，Si升华形成石墨烯。 成本高、操作温度过高。