新型碳材料科学(双语)结课论文 XXX

华东理工大学化工学院2014(春) 本科生双语选修课《新型碳材料科学》课程考核学号 10110200 姓名 XXX 任课老师乔文明等成绩

论文题目：

摘要

石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，详细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电孤法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。

关键词石墨烯制备方法应用

Abstract

As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties．Synthesis of graphene via different ap—proacbes，such as micro mechanical stripping，chemical stripping，chemical synthesis，epitaxial growth，arc dis—charge，and chemical vapor deposition，are discussed in detail，and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed．Also application progress of gre—phene in polymer composites，micro electronics，optics，energy and biomedicine are summarized，and the main re—search direction and development trend are imagined．

Key words graphene，preparation methods，application

1.石墨烯的结构

石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35 nm ，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs 或者堆垛成三维的石墨(图1)。这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130 GPa ，是钢的100多倍；其载 流子迁移率达1．5x104cm 2·V -1S -1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的10倍，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可高达

2．5×105cm 2·V -1·S -1；石墨烯的热导率可达5x103W·m -1·K -1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect )及室温铁磁性等特殊性质。[1]

2.石墨烯的性质

2.1力学性质

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。美国哥伦比亚大学的一支物理学研究小组经过大量的试验，发现石墨烯是现在世界上已知的最为牢固的材料，并对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。他们选取10-20微米的石墨烯微粒作为研究对象。试验发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100 nm距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。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。[2]半导体工业有意利用石墨烯晶体管制造微型处理器，进而生产出比现有计算机更快的计算机。

2.2热学性质

石墨烯是一种稳定材料．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，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。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。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。各个碳原子问的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。因此，碳原子就不需要重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定。

2.3电学性质

稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导等于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有效质量为零，这和光子的行为极为相似；不管石墨烯中的电子带有多大的能量，电子的运动速率都约是光子运动速率的三百分之一，为10m/s。石墨烯的室温量子霍尔效应，无质量狄拉克费米子型载流子，高达200 000cm/(V·S)的迁移率等新奇物性相继被发现。[3]在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度。石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。石墨烯具有明显的二维电子特性。近来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米电子器件的极有前景的材料。在2006-2008