石墨烯的结构与性能.
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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。
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
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
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—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。
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
Baidu Nhomakorabea
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。
• 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
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。
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。
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
• 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。
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)
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。
• 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。
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。
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
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
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—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。
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
Baidu Nhomakorabea
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。
• 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
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。
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。
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
• 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。
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)
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。
• 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。