石墨烯的结构与性能.
石墨烯材料的性质和应用
石墨烯材料的性质和应用随着科学技术的不断进步和人类对于未知世界的探索，石墨烯材料作为新型纳米材料，越来越受到人们的重视。
石墨烯材料具有独特的结构和性质，具有广泛的应用前景。
本文将从石墨烯的结构、性质及应用三个方面着眼，介绍石墨烯材料的性质和应用。
一、石墨烯的结构石墨烯材料的基本结构是由一个碳原子单层构成。
这些碳原子排列成六边形晶格，形成一个平面的结构，可以看作是石墨单层。
因此，石墨烯材料也可以被称为石墨单晶片。
石墨烯材料的晶格结构非常特殊，具有较高的表面积和光电性能。
同时，在石墨烯材料的晶格中，每个碳原子都与它周围的三个碳原子形成“三角形”结构，也称为“sp2杂化”。
二、石墨烯的性质1.力学性质石墨烯材料具有很高的强度和硬度，同时也具有弹性和柔韧性。
石墨烯单层的强度比钢还要高200倍，而且非常轻，密度只有钢的1/6。
这使得石墨烯材料具有很高的应用价值。
2.电学性质石墨烯材料具有很高的导电率和电子迁移率，是目前已知的导电材料中最好的之一。
石墨烯材料的电子运动速度可达到约1/300光速，这就使得其可以在电子器件中应用。
同时，石墨烯材料的电子迁移率非常高，可以达到15,000cm²/V·s，远高于硅材料。
3.热学性质石墨烯材料具有很高的热导率，是目前已知的热导率最高的固体之一。
石墨烯材料的热导率达到了5300W/(mK)，也就是说，我们的石墨烯材料可以在高温、高压情况下始终保持稳定的性能，而不会因温度过高而熔化变形。
三、石墨烯的应用1.电子材料领域作为新型纳米材料，石墨烯材料在电子领域拥有广泛的应用前景。
首先，石墨烯材料的高导电性和高迁移率使其成为极佳的导电材料，可以用于制造集成电路和晶体管等器件。
其次，石墨烯材料的高透明度和柔韧性，可以用于制造柔性显示器等设备。
此外，在太阳能材料领域，石墨烯材料的高光电转换效率也具有重要的应用价值。
2.能源材料领域石墨烯材料在能源材料领域也具有广泛的应用前景。
石墨烯
发现历程
可惜的一步之遥
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Rodney Rouff层尝试着将石 墨在硅片上摩擦，并深信采用这个简单的办法可后的石墨烯，但 他没有对产物做进一步的检测 美国哥伦比亚大学的Philip Kim利用石墨制作了一个“纳米铅 笔”，在一个表面上画写，并得到了石墨薄片，层数最低可达0层
特性
电学性能
电子在石墨烯中传输不易发生散射，迁移率可达2ӽ 105cm2/ （V· s）,约为硅中电子迁移率的140倍。 其电导率可达106S/m,石墨烯的面电阻约为31Ω/sq，是室温 下导电性最佳的材料。
石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成大∏键， ∏电 子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，常温下， 及时周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子收到的干扰也小。
发现历程 发现历程
曲 折 的 六 十 年
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1947年Philip Wallace研究石墨烯电子结构 1956年J.W.McClure推到出相应的波函数 1960年Linus Pauling曾质疑过石墨烯的导电性 1984年G.W.Semenoff得出与波函数方程类似 的狄拉克方程 • 1987年首席使用“graphene”指代单层石墨烯 • Philip Kim利用石墨在表面上画写，得到石墨 薄片 • 2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov在实 验室用机械剥离法制备出石墨烯
石墨烯应用
石墨烯
电子器件 太光晶 阳学体 能器管 电件 池 复合材料 储能材料 石 墨 烯 纸 聚 合 物 基 石 墨 烯 复 合 材 料 锂电 离化 子学 电电 池容 器
石墨烯应用
石墨烯电池
西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班 牙科尔多瓦大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。一个锂电池 （以最先进的为准）的比能量数值为180wh/kg,而一个石墨烯电池的 比能量则超过600 wh/kg。也就是说，它的储电量是目前市场上最好 的产品的三倍。这种电池的寿命也很长，它的使用寿命是传统氢化电 池的四倍，是锂电池的两倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶 1000千米。而将它充满电只需要不到八分钟的时间。
石墨烯材料的特性与应用
石墨烯材料的特性与应用石墨烯是一种由碳原子排列成的薄膜，属于二维材料。
它具有出色的导电性、热导性和力学性能，极高的比表面积和柔韧性使其成为许多领域的研究热点。
1. 石墨烯的结构和特性石墨烯的结构类似于一张网格，由一层厚度为一个原子的碳晶格组成。
这种构造使其具有出色的电子传输性能。
该材料的电荷载流子迁移速度非常快，比传统的材料如硅快几倍。
此外，石墨烯的热导率极高，可以有效地传递热量。
这些性质使其成为许多电子学和热学应用领域的理想材料。
2. 石墨烯的应用石墨烯已经在许多领域中得到广泛应用。
以下是一些重要的应用领域：2.1 电子学应用由于石墨烯具有出色的导电性，因此它在电子学领域有广泛的应用。
石墨烯可以用于制造电子元件，如晶体管、集成电路等。
它还可以用于制造光电元件和传感器，如透明导电膜和生物传感器。
2.2 储能材料石墨烯可以用于制造储能器件，如锂离子电池和超级电容器。
其高比表面积和出色的电荷传输速度可以提高储能器件的性能。
石墨烯也可以用于制备储氢材料，这对开发氢燃料电池具有重要意义。
2.3 纳米复合材料石墨烯可以用于制造各种纳米复合材料，如聚合物基复合材料、金属基复合材料等。
石墨烯可以加强复合材料的力学性能，并且可以用于保护材料免受化学和环境腐蚀。
2.4 生物医学应用石墨烯在生物医学领域中也有许多应用。
它可以用于制造药物载体、生物传感器和各种医用材料。
石墨烯也可以用于研究肿瘤及其他疾病的治疗方法，如光疗和热疗。
3. 石墨烯的未来发展石墨烯在各个领域的应用前景广阔。
目前，石墨烯的产量和生产成本仍然很高，生产技术也存在许多难题。
因此，石墨烯的商业化应用仍然需要更多的研究和开发。
未来，石墨烯的大规模生产技术将会得到进一步的发展，其在各个领域的应用将会更为广泛。
总之，石墨烯是一个有着巨大潜力的材料。
它的优异特性使其成为了高效电子器件和新型材料的重要材料，在未来将充满无限的发展和应用前景。
石墨烯的性质及应用
石墨烯的性质及应用石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成的二维晶体结构，具有一系列独特的性质和应用潜力。
以下将详细介绍石墨烯的性质和应用。
性质：1. 单层结构：石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，在垂直方向上只有一个原子层，具有单层的特点。
2. 高强度：尽管石墨烯只有一个碳原子层，但其强度非常高。
石墨烯的破断强度远远超过钢铁，是已知最强硬的材料之一。
3. 高导电性：石墨烯的碳原子呈现出类似于蜂窝状的排列方式，使得电子能够在其表面自由传导。
石墨烯的电子迁移率是晶体硅的200倍以上，使得其具有非常高的导电性能。
4. 高热导性：由于石墨烯中的碳原子排列紧密，热量传递效率非常高。
石墨烯的热导率超过铜的13000倍，是已知最高的热导材料之一。
5. 弹性：石墨烯具有非常强的弹性，在拉伸过程中可以扩展到原始长度的20%以上，然后恢复到原始形状。
这种弹性使得石墨烯在柔性电子学和拉伸传感器等领域具有广泛应用。
应用：1. 电子器件：石墨烯的高导电性和高迁移率使其成为制造高速电子器件的理想材料。
石墨烯可以作为传统半导体材料的替代品，用于制造更小、更快的电子元件，如晶体管、电容器和电路等。
2. 透明导电膜：石墨烯具有优异的透明导电性能，可以制备成透明导电膜，用于制造触摸屏、显示器和太阳能电池等设备。
相比于传统的氧化铟锡(ITO)薄膜，石墨烯具有更好的柔性和耐久性。
3. 电池材料：石墨烯可以用作锂离子电池的电极材料，具有高电导性和高比表面积的优势。
石墨烯电极可以提高电池的充放电速度和储能密度，有望在电动汽车和可再生能源储存等领域得到应用。
4. 传感器：石墨烯具有优异的电子迁移率和极高的比表面积，使其成为制造高灵敏传感器的理想材料。
石墨烯传感器可以用于检测气体、压力、湿度和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度的特点。
5. 柔性电子学：石墨烯的高强度和高弹性使其成为柔性电子学的重要组成部分。
石墨烯可以制备成柔性电路、柔性显示屏和柔性传感器等，有望应用于可穿戴设备、智能医疗和可卷曲设备等领域。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念之迟辟智美创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体.石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子.但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜.单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构.完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比概况积高达2.6×102 m2 /g.石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa).另外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 /(V·s).石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨年夜兴趣，成为资料科学研究热点.石墨烯结构图2石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子标准厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构.石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状.垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很年夜的作用.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单位，可以将它看做一个无限年夜的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯.形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密聚积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面.在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单位实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子.单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一.石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧.受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不用重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性.石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在.纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近发生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增年夜.因此，通过控制石墨烯条带的宽度即可以进一步获得需要的势垒.这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础.石墨烯能带结构图3石墨烯性能石墨烯是一种超轻资料，面密度为0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超强的导电性.石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，是硅的100倍，在室温下可以到达15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多，只有10 ～6Ω·cm 左右.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m•K.三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超越金刚石，断裂强度到达钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概况积.石墨烯的比概况积每克比普通活性炭高出1130m2，到达2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米资料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能.理论和实验结果标明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%.从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数.结合非交互狄拉克-费米子理论，模拟石墨烯的透射率，可以得出与实验数据相符的结果.根据折射和干涉原理，分歧层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出分歧的颜色和比较度，为石墨烯层数的分辨提供了方便.理论和实验标明年夜面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能，且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变动.石墨烯薄膜是一种典范的透明导电薄膜，可以取代氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜资料，即可克服ITO薄膜的脆性缺点，也可解决铟资源稀缺对应用的限制等诸多问题.石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极.另外，当入射光的强度超越某一临界值时，石墨烯对其的吸收会到达饱和.这一非线性光学行为成为饱和吸收.在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收.利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等.3.2 石墨烯的电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性.由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小.电子在石墨烯中传输时不容易发生散射，传输效率1.5×105cm2/(V·s)，约为硅中电子迁移率的140倍.其电导率可达106s/m，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的资料.因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池.石墨烯的呈现在科学界激起了巨年夜的波涛.人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超越钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的呈现有望在现代电子科技领域引发一轮革命.在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯暗示得好.由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费72%-81%的电能，石墨烯则分歧，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性.3.3 石墨烯的力学性能石墨烯是一直资料中强度和硬度最高的晶体结构.其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa.石墨烯的强度极限为42N/m2.理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可接受4kg的质量.石墨烯可作为一种典范的二维增强资料，在复合资料领域具有潜在的应用价值.石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能坚持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵抗外力，保证自己的稳定性.石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数高5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石.石墨烯的理论比概况积可达2630m2/g，用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体附着或脱离石墨烯概况时，吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度，招致电阻发生阶跃型变动.这一特性可用于制作气体传感器.理论计算标明，石墨烯与锂可形成多孔复合结构，具有极强的氢气贮存能力.3.5 石墨烯的磁学性能石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性，主要是由于石墨烯在氢化以后，在边缘处有孤对电子对，这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下，做过通过改变温度，看能否让石墨烯的磁性有所变动.确定磁场强度为1T，当温度T＜90K 时，石墨烯会暗示出顺磁特性；当温度T＞90K 时，石墨烯会呈现出了反磁特性.3.6 石墨烯的化学性能石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，钾），这条性质和我们所认知的活性炭有些相似.二氧化氮，氨，钾往往是被作为给体或受体，使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变动，然而石墨烯自己就是一种导电资料.其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会发生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰分歧吸附物而已.由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体，从化学的角度上来看，往往它们具有一些相同的性质，所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比力简单又方便的思想，在未来，石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特性示意图。
石墨烯是什么材料
石墨烯是什么材料石墨烯是一种由碳原子形成的二维晶格结构的材料，被认为是科学界中的一项重大发现。
它具有许多出色的性质，使其成为研究、应用和开发各种技术的理想材料。
本文将介绍石墨烯的结构、性质和应用。
石墨烯的结构非常特殊。
它是由一个碳原子层构成的，碳原子形成了六边形的排列。
每个碳原子与周围三个碳原子形成共价键，形成一个稳定的二维晶格结构。
这种结构使石墨烯具有独特的性质。
首先，石墨烯具有优异的电子性能。
由于其二维结构，石墨烯的电子在平面内可以自由移动，表现出高度的导电性。
事实上，石墨烯的电子迁移率可以达到几百万cm2/V·s，远高于其他材料。
这使得石墨烯成为电子器件和传感器等领域的理想选择。
其次，石墨烯具有出色的力学性能。
虽然石墨烯只有一个碳原子层的厚度，但它的强度却相当高。
实验证明，石墨烯的强度是钢铁的200倍，同时也具有很高的柔韧性。
这种强度和柔韧性使石墨烯成为纳米复合材料和柔性电子设备的理想材料。
此外，石墨烯还具有很高的光学透明性。
它可以在可见光和红外光范围内实现高透射率，达到97.7%。
这使得石墨烯在显示技术和太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。
石墨烯的应用非常广泛。
在电子领域，石墨烯可以用于制造高速电子器件、柔性电子设备和能量存储器件。
在材料领域，石墨烯可以用于制造轻质复合材料、高强度纤维和超薄薄膜。
在能源领域，石墨烯可以用于制造高效的太阳能电池和储能装置。
此外，石墨烯还可以用于制造高效的传感器、过滤器和催化剂等。
然而，尽管石墨烯具有如此出色的性质和应用潜力，但目前仍面临一些挑战。
首先，大规模合成石墨烯仍然是一个复杂和昂贵的过程。
其次，石墨烯的良好导电性和透明性容易受到氧化和杂质的影响，从而降低性能。
因此，石墨烯的制备和保护仍然需要进一步的研究和发展。
总之，石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有出色的电子、力学和光学性能。
它在电子、材料和能源领域具有广泛的应用前景。
虽然石墨烯仍然面临挑战，但科学界对于其研究和开发仍抱有巨大的期望。
石墨烯的结构及性质、用途
石墨烯的结构及性质、用途一、石墨烯的发现2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。
海姆石墨烯和他的同事偶然中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。
斯德哥尔摩2010年10月5日电瑞典皇家科学院5日宣布，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卓越研究。
二、石墨烯结构石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。
它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。
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，石墨毡石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
三、石墨烯的性质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)，的性石墨烯晶体质和相对论性的中微子非常相似。
为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。
石墨烯的结构与性能全解
石墨烯的结构
• 石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状 点阵结构, 它可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一维 的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨, 因此石墨烯 是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本 结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目 前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构 是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石 墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余 一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由 移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结 构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组 成单元。
石墨烯的 制备与应用
王永强
目录
• • • • • 石墨烯的发现 石墨烯的结构 石墨烯的性能 石墨烯的简单分类 石墨烯的制备
通 向 的 电 梯
石墨烯的发现
曾经有人在《太空电梯》一文中设想： 1）有一天你走进电梯，按下上升按钮就到了外太 空，是不 是很酷?这就是太空电梯，它将使人类的梦想成为现实。 2）目前，将一个重 约2.2千克的东西发射到近地轨道就需耗 资约5. 3万元人民币，但是太空电梯却可以大大降低成本， 让普通人可以在太空中旅行。 3）太空电梯的载人舱能够在数千万米长的电缆上移动，而电 缆则靠地球转动产生的离心力来固定。碳纳米管的出现又朝 这一梦想的实现前进了一步。科学家爱德华兹已证明利用纳 米技术可以做出能够支撑太空电的电梯是个合理的设想 ，而且具有商业价值。一个200吨的太空电 梯 的大小 相当 于一架大型的商务飞机。太空电梯的大小完全取决于人的意 愿，不受任何物理层面的限制。
• 3氧化还原法 该法以石墨粉为原料, 经过强氧化剂浓硫酸和高锰 酸钾的氧化,石墨的层间被插入了羟基、环氧及羧基 等含氧基团, 拉大了石墨的层间距,从而得到了石墨 氧化物。然后通过超声作用, 将石墨氧化物剥离得 到单层的石墨烯氧化物( GO )。对GO进行还原, 可 以将GO平面结构上的含氧基团去除,可使大P键共 轭体系得到恢复,即可制得高导电性的石墨烯。但该 方法简单,成本低,可以大量的制备石墨烯。
石墨烯的研究与应用综述、产业现状
石墨烯的研究与应用综述一、石墨烯的结构与特性石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。
石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨等。
石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至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，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有一些奇特的物理特性：导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度能够达到光速的1/300，是世界上电阻率最小的材料。
良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，单层石墨烯的导热系数可达5300瓦/米水度，远高于金属中导热系数高的银、铜等。
极好的透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过。
超高强度：石墨烯被证明是当代最牢固的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。
超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
石墨烯特殊的结构形态，具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时具有很强的韧性、导电性和导热性，这些极端特性使其拥有巨大发展空间，应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法；化学法包括外延生长法、化学气相沉积法与氧化石墨还原法。
微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，不适合量产；取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀；加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯的结构与性能.
大面积石墨烯的制备—CVD法
原 理 将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表 面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.
生长条件
生长机体 碳源
气压
烃类气体
甲烷( CH4) 乙烯( C2H4) 乙炔( C2H2)
镍膜 铜箔
载气 温度
பைடு நூலகம்面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
石墨烯性能简介
• • • • 光学性能 电学性能 力学性能 热学性能
光学性能
• 石墨烯具有优异的光 学性能。 • 理论和实验结果表明 ，单层石墨烯吸收 2.3%的可见光，即透 过率为97.7%。 • 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
电学性能
• 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献 剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可 以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 • 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁 移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子 迁移率的140倍，其电导率可达104S/m， 是室温下导电性最佳的材料。
电学性能 • 石墨烯的导电性可通过化学改性的 方法进行控制，并可同时获得各种 基于石墨烯的衍生物。 • 双层石墨烯在一定条件下还可呈现 出绝缘性。
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。 • 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。 • 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
得到单层或少层 较理想石墨烯，但难 实现大面积制备、能 耗高、不利转移
外延法
单层,生长连续、 均匀、大面积
碳化硅外延法
金属外延法
原理
SiC加热 蒸掉Si, C重构生 成石墨烯
石墨烯的性质和应用
石墨烯的性质和应用随着科学技术的不断进步，许多新材料的诞生改变了我们的生活和工作方式。
其中，石墨烯是一种备受关注的新型材料。
它的特殊性质和广泛的应用前景吸引了无数科学家和工程师的关注。
本文就石墨烯的性质和应用进行探讨。
一、石墨烯的性质石墨烯是一种由碳原子组成的2D平面结构材料，具有许多独特的物理性质。
1. 单层结构石墨烯由单层的碳原子组成，具有纳米级厚度。
它的厚度只有一层原子，因此也被称为二维材料。
石墨烯的单层结构赋予了它其他材料所不具备的独特性质。
2. 强度高石墨烯的强度非常高，是钢铁的200倍以上。
它的强度来自于碳原子之间的强共价键。
在应用中，石墨烯的高强度可以使其成为构造材料、抗弯曲材料等。
3. 导电性好石墨烯的电阻率非常小，是铜的5倍，是硅的10倍。
这是因为石墨烯的碳原子之间结合紧密，电子可以自由地在其表面运动。
石墨烯的导电性和电子移动速度远高于其他材料，可用于制作导线、集成电路等。
4. 热传导性好石墨烯的热导率很高，是铜的两倍以上，这是由于碳原子之间的距离很短，区域摆动自由度少。
石墨烯可以作为散热材料、微型发电机等。
二、石墨烯的应用石墨烯的独特性质使其在许多领域都有着广泛的应用前景。
下面就石墨烯的一些应用进行简要介绍。
1. 电子学领域石墨烯是目前最好的导电材料之一，其热传导能力也非常强。
在电子领域，石墨烯可用于制作高速电子器件、新型集成电路等。
石墨烯的出现也有望解决传统硅电路面临的热问题。
2. 机械领域石墨烯的强度高、韧性好，也极具抗氧化性能。
这使其可以作为材料加固增强和防腐，也能用于制作高强度结构材料和防爆材料等。
3. 光电领域石墨烯具有极好的吸收、透过性能和宽光谱响应。
因此它可作为透光材料、红外光材料、发光材料和太阳能电池等。
4. 生物领域石墨烯在生物领域也有着广泛的应用，它可以用于制备药物载体、分子传感器和免疫芯片等。
总之，石墨烯是一种具有广泛应用潜力的新型材料。
虽然它的商业应用还处于发展阶段，但其一个个神奇的性质和应用前景已经吸引了许多科学家和工程师的关注。
石墨烯散热原理
石墨烯散热原理
石墨烯是一种单层碳原子构成的二维材料，具有极高的导热性能。
其独特的散热原理，主要基于以下几个方面：
1. 刚性结构：石墨烯的碳原子排列呈六角晶格，形成了高度有序的结构。
这种结构使得石墨烯具有高度的刚性，能够有效地传导热量。
2. 高导热率：石墨烯具有极高的导热率，达到5000-6000
W/m·K，是铜的几倍甚至更高。
这是因为碳原子之间的共价
键非常强大，热量能够迅速传递并扩散到整个石墨烯层。
3. 跨维导热：石墨烯是二维材料，可以在平面内自由传导热量。
然而，石墨烯也可以垂直于平面方向传导热量，这是由于石墨烯的轻质原子和无序的振动模式，使得热能可以在垂直方向上频繁地跃迁。
4. 优秀的热界面特性：石墨烯与其他材料之间的热界面接触非常紧密。
石墨烯在接触面上形成了强烈的范德华力，使得热量能够更好地传递，有效地提高热导率。
这种特性使得石墨烯可以高效地散热，将热量迅速传递到外界。
综上所述，石墨烯具有极高的导热性能和热界面特性，能够在传热过程中快速传递和散发热量，提高散热效率。
这使得石墨烯在电子器件、电路板等领域中具有广泛的应用前景。
石墨烯的力学性能与弹性模量
石墨烯的力学性能与弹性模量石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，具有独特的力学性能和弹性模量。
在这篇文章中，我们将探讨石墨烯的力学性能以及它的弹性模量。
1. 石墨烯的力学性能石墨烯的力学性能是指它在受力作用下的表现和响应。
由于石墨烯是一种二维晶体，具有很高的结晶度和较长的晶体间距，使得它具有出色的力学性能。
首先，石墨烯具有极高的拉伸强度。
实验证明，石墨烯的拉伸强度可以达到130 GPa以上，远超过钢铁的强度。
这意味着石墨烯在受到拉伸力时，能够承受非常大的应力而不发生断裂。
其次，石墨烯具有很高的弯曲强度。
当施加弯曲力时，石墨烯仍然能够保持稳定的结构并继续承载力量。
这种弯曲强度使得石墨烯在纳米器件和柔性电子领域具有广泛的应用前景。
此外，石墨烯还具有优异的刚度和硬度。
刚度是指材料在受力后的变形程度，硬度则是指材料抵抗压力的能力。
石墨烯的刚度和硬度都非常高，能够抵抗外部的变形和压力，保持其结构的完整性。
2. 石墨烯的弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗形变的能力。
对于石墨烯而言，由于其特殊的结构和化学键，它的弹性模量非常高。
石墨烯的弹性模量可以通过实验测得。
通过拉伸或压缩等操作，可以得到石墨烯在不同应力条件下的应变情况。
通过绘制应力-应变曲线，并分析其线性部分的斜率，就可以得到石墨烯的弹性模量。
实验证明，石墨烯的弹性模量可以达到1 TPa（万亿帕斯卡），远远高于其他材料如钢铁和硅。
这种高弹性模量使得石墨烯在微纳电子领域具有重要的应用价值，例如作为传感器和晶体管的材料。
3. 石墨烯的局限性虽然石墨烯具有卓越的力学性能和弹性模量，但它也存在一些局限性。
首先，石墨烯是一种二维材料，相对容易发生弯曲和屈曲。
这可能会对其在实际应用中的稳定性带来挑战。
因此，在设计和制备石墨烯纳米器件时，需要考虑其结构的稳定性和可控性。
其次，石墨烯的制备过程较为复杂，并且目前仍存在规模化制备的难题。
这限制了石墨烯在实际应用中的推广和商业化。
石墨烯
石墨烯1、石墨烯的物理性质石墨烯（Graphene），又称单层石墨，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。
石墨烯（Graphene）是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。
和金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样，它是一种单纯由碳元素构成的物质（单质）。
如下图1所示，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠成的。
利用石墨烯来描述各种碳单质（石墨、碳纳米管和石墨烯）性质的理论研究持续了近六十年，但是普遍认为这样的二维材料是难以稳定地单独存在的，只有依附在三维的衬底表面或者在像石墨那些的物质内部。
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，关于石墨烯的研究才获得了新的发展。
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。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。
因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。
石墨烯石墨烯晶体图1 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。
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1.42Å。
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。
石墨烯的性能及应用分析
石墨烯的性能及应用分析石墨烯被誉为21世纪材料之王，因其诸多独特性能而备受关注。
本文将从石墨烯的结构，物理性质和应用领域三个方面进行分析。
一、石墨烯的结构石墨烯是一种二维的单层碳原子晶体，它由一个平面六角网格构成，每个六角网格的顶点是一个碳原子，相邻碳原子之间通过共价键连接，形成一种类似蜂窝的结构，这种结构也被称为“蜂窝状”。
二、石墨烯的物理性质1. 电子传输性能：石墨烯是一种半金属材料，其电子移动速度非常快，可达到传统硅材料的100倍，使石墨烯在电子传输领域具有广泛的应用前景，如电子元件和光电子设备等。
2. 机械性能：石墨烯具有极高的机械强度和韧性，它的拉伸模量大约为1 TPa，相当于金属铁丝的200倍，使其在高强度纤维复合材料和超级硬材料方面有着无限的潜力。
3. 热导性能：石墨烯的热导率非常高，是铜的两倍甚至更高，所以它在制造散热器等领域有着广泛的应用前景。
4. 光学性能：石墨烯的吸收率很低，只有2.3%，因此它可以用来制造透明电极、薄膜太阳能电池等光学器件。
三、石墨烯的应用领域1. 电子领域：石墨烯可用于制造高性能电子器件，如晶体管、场效应器、传感器等。
2. 机械材料领域：石墨烯可用于制造高强度材料、碳纤维复合材料等，在航空航天、汽车制造等领域有着广泛应用。
3. 能源领域：石墨烯可以制造高效太阳能电池、锂离子电池等，还可以用于制造新型储能材料。
4. 生物医学领域：石墨烯可以用于制造纳米药物、生物传感器等，在生物医学领域有着广泛的应用前景。
总之，石墨烯是一种非常神奇的材料，具有许多独特的性质，对我们的生活和科技发展都具有重要的影响。
而随着石墨烯研究的不断深入，我们相信会有更多更好的石墨烯应用被发明和创造出来，为人类社会带来更多更广泛的福利和发展机遇。
石墨烯的结构性能及应用
姓名：李雄杰学号：20071050198专业：物理学石墨烯的结构性能及应用（云南大学物理科学技术学院物理系云南昆明650091）摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。
石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。
本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能及相关应用。
关键词：石墨烯；结构性能；相关应用一、引言石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料【1】石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。
在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。
石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。
石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景【2】正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
图1石墨烯结构图石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。
这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景【3-4】二．石墨烯的特殊性能石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的【5】,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。
石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm2／(V·s)(载流子浓度n≈1013cm-2)，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散作者简介：李雄杰（1987-）、男，湖南人，云南大学物理学专业在读本科生，主要研究碳纳米材料及应用。
石墨烯介绍
医学成像
生物医学工程
石墨烯的生物相容性和良好的力学性 能使其在组织工程、再生医学等领域 具有潜在应用。
石墨烯可用于制造高灵敏度的医学成 像设备，如超声成像、光声成像等。
能源储存与转换器件
电池
石墨烯的高比表面积和良好的导 电性使其成为电池电极的理想材 料，可提高电池的能量密度和功
率密度。
超级电容器
石墨烯的高比表面积和优异的电 化学性能使其在超级电容器领域 具有广泛应用，可实现快速充放
优异导电导热性能
导电性能
石墨烯具有优异的导电性能，其电导率可达10⁶ S/m，是铜 的100倍。
导热性能
石墨烯的导热性能也非常出色，其热导率可达5000 W/m·K ，远高于铜等传统导热材料。这使得石墨烯在散热器件、热 管理等领域具有广阔的应用前景。
02
石墨烯制备方法与技术
机械剥离法优点简单 Nhomakorabea行，成本低廉。
石墨烯介绍
• 石墨烯基本概念与特性 • 石墨烯制备方法与技术 • 石墨烯应用领域及前景展望 • 石墨烯产业发展现状与趋势分析 • 总结：石墨烯——颠覆性创新材料引领未来科技
革命
01
石墨烯基本概念与特性
石墨烯定义及结构
定义
石墨烯是一种由单层碳原子以sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格 的二维碳纳米材料。
创新应用拓展
石墨烯在柔性电子、可穿戴设备、生物医学、环 保等领域的应用拓展，将催生一批新的高科技产 业。
推动多学科交叉融合创新发展
促进物理学、化学和材料科学等基础学科的发展
石墨烯的研究涉及凝聚态物理、量子化学和材料科学等多个学科领域，其深入研究将有助 于揭示物质的基本规律和性质。
交叉融合创新
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有排列而成的蜂窝状晶体结构。
石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。
每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。
垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。
石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。
在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。
单层石墨烯厚度仅0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
100倍，在室温下可以达到15000cm2/(V·s)。
电阻率比铝、铜和银低很多，只有10～6Ω·cm左右。
二是具有超强的导热性。
石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m?K。
三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100倍。
四是具有超强的透光性。
石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97.7%。
五是具有超强的比表面积。
石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2，达到2630m2/g。
3.1石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。
理论和实验结果表明，单层石墨石饱和。
这一非线性光学行为成为饱和吸收。
在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收。
利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等。
3.2石墨烯的电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。
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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。
• 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。
• 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
力学性质——比砖石还要硬
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。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装 袋的（厚度约为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， 那么它将承受大约两吨重的物品。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，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。
• 正是这种简单方法制备出来的简单物质— —石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错 误认识——任何二维晶体不能在有限的温 度下稳定存在。
石墨烯的制备：
微机械剥离法
石
碳纳米管横向切割法
墨
烯
微波法
的
电弧放电法
制
备
光照还原法
方
外延生长法
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
大面积石墨烯的制备—CVD法：
结 晶粒尺寸较小, 层数不均一且难以控制, 晶界处存 在较厚的石墨烯, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大,
论 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱
在Ni膜上的SEM照片
不同层数的TEM照片
转移到二氧化硅/硅 上的光学照片
实验室制备方法
石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成 羟基、环氧基和羧基。一方面，含氧基团为亲水性，它们的引入 改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性 增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面， 含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石 墨层间的团聚现象。
热学性能
• 石墨烯的室温热导率约为5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚 石，是室温下铜的热导率的10 倍多。
• 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 。
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。
石墨烯的发现
• 石墨烯（Graphene）是2004年由英国曼 彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）发现的，他们使用一种被称 为机械微应力技术（micromechanical cleavage） 的简单方法。
镍膜 铜箔
气压 载气 温度
大面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
镍膜/石 墨烯
在二氧化硅/硅衬底上沉积300nm镍膜 衬底在1000°C下退火并预处理石英管式炉 气压200托+甲烷50ml/min+氩气500ml/min+900--1000℃ 氩气2000ml/min+氢气500ml/min降温冷却10 ℃/s
石墨烯性能简介
• 光学性能 • 电学性能 • 力学性能 • 热学性能
光学性能
• 石墨烯具有优异的光 学性能。
• 理论和实验结果表明 ，单层石墨烯吸收 2.3%的可见光，即透 过率为97.7%。
• 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
电学性能
• 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献 剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可 以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。
大面积石墨烯的制备—外延生长法
SiC外延单层石 墨烯AFM图
Cu外延石墨 烯STM图
原子分辨率 STM图
大面积石墨烯的制备—CVD法
原 将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表 理 面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.
碳源
生长机体
生长条件
烃类气体
甲烷( CH4) 乙烯( C2H4) 乙炔( C2H2)
化学气相沉积法
大面积石墨烯的制备：
大面积石墨烯薄膜的制备
外延生 长法ຫໍສະໝຸດ 化学气 相沉积法大面积石墨烯的制备—外延生长法
得到单层或少层 较理想石墨烯，但难 实现大面积制备、能 耗高、不利转移
外延法
单层,生长连续、 均匀、大面积
碳化硅外延法
金属外延法
原理
SiC加热 蒸掉Si, C重构生 成石墨烯
衬底处理
比钻石还硬的材料 ——
姓名： 王金杰 学号：122702106
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
主要内容
• 石墨烯的定义 • 石墨烯的结构 • 石墨烯的发现 • 石墨烯的制备 • 石墨烯的性能 • 石墨烯的应用
石墨烯材料的定义
• 石墨烯（Graphene）是 碳原子紧密堆积成单层二 维蜂窝状晶格结构的一种 碳质新材料，厚度只有 0.335纳米,仅为头发的20 万分之一，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。
• 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁 移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子 迁移率的140倍，其电导率可达104S/m， 是室温下导电性最佳的材料。
电学性能
• 石墨烯的导电性可通过化学改性的 方法进行控制，并可同时获得各种 基于石墨烯的衍生物。
• 双层石墨烯在一定条件下还可呈现 出绝缘性。
石墨烯的结构
• 完美的石墨烯是二维的 ，它只包括六边形结构( 等角六边形)。
• 石墨烯中的碳-碳键长约 为0.142nm.晶格间连接 十分牢固，形成了稳定 的六边形状。垂直于晶 面方向上的键在石墨烯 的导电过程中起到了很 大的作用。
石墨烯的结构
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。
1、清洗 2、浸泡 3、蚀刻 4、吹干
制备步骤
1.衬底升温除 水蒸气 2.750℃蒸Si 3.1300℃退火 重构得石墨烯
原理
在晶格匹配 的金属上高 真空热解含 碳化合物
准备工作 制备步骤
UHV生长室 金属放入UHV 衬底粗糙度 生长室，在金 <0.03um， 属衬底上热分 丙酮、乙醇 解乙烯,并高 超声波洗涤 温退火。