石墨烯的结构与性能全解

石墨烯的制备
• 1微机械剥离法 • 2004年,石墨烯的发现者安德烈· 盖姆等用一
种极为简单的方法:微机械剥离法成功地制备并 观测到单层石墨烯。他们首先用光刻胶将高定向 热解石墨转移到玻璃衬底上,然后用透明胶带进 行反复粘贴将高定向热解石墨剥离, 随后将粘有 石墨烯片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声振荡。 再将单晶硅片放入丙酮溶剂中, 单层石墨烯片会 由于范德华力或毛细管作用吸附在单晶硅片上, 从而成功地制备了二维的石墨单层。该法工艺简 单, 成本低廉, 但费时费力, 重复性差,难以大规模 制备。
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. 。
• 进而Bar2ron 研究发现高定向热裂解石墨 、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶 剂剥离法制备石墨烯。溶剂剥离法可以制 备高质量的石墨烯 ,整个液相剥离的过程 没有在石墨烯的表面引入任何缺陷 ,为其 在微电子学、多功能复合材料等领域的应 用提供了广阔的应用前景。唯一的缺点是 产率很低 ,限制它的商业应用。
• 人们设想并不是无法实现的在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。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨 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。
• 2沉积生长法 • 沉积生长法通过化学气相沉积在绝缘表面(例如 SIC)或金属表面(例如Ni)生长石墨烯，是制备高 质量石墨烯薄膜的重要手段： • 有研究者通过对Si的热解吸附，实现了在以SI终 止的单晶6H—SIC的(0001)面上外延生长石墨烯 膜或通过真空石墨化在单晶SIC(0001)表面外延 生长石墨烯，但是由于SIC在高温下易发生表面 重构，导致表面结构复杂，难以获得大面积、厚 度均一的石墨烯膜； • 使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉 ,通 入含碳气体 ,例如 ,碳氢化合物 ,它在高温下分解 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。
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。 • 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%。
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。
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。 • 石墨烯的理论比表面积可 达2630m2/g。
石墨烯的简单分类
• 单层石墨烯：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。 • 双层石墨烯：指由两层以苯环结构（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AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛构 成的一种二维碳材料。 • 多层石墨烯：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。
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。
• 4溶剂剥离法
溶剂剥离法是最近两年才提出的 ,它的原理是将少
量的石墨分散于溶剂中 ,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。 此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构 , 可以制备高质量的石墨烯。剑桥大学 Hernandez 发现适合剥离石墨的溶剂最佳表面张力应该在40～ 50mJ/ m的平方 ,并且在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的 产率最高(大约为8 %) ,电导率为6500S/ m。
• 5其他方法 石墨烯的制备方法除了上面介绍的外 , 还有高温还原、光照还原、外延晶体 生长法、微波法、电弧法、电化学法 等。
Hale Waihona Puke Baidu
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梯的超强力电缆。 4）科学家研究发 现，建造一个200吨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。