石墨烯简介2

五、石墨烯应用
• 传感器
石墨烯单原子层结构，其所有原子与环境接触，同时其具有良 好化学稳定性和低的本征噪声，是理想的传感器材料。
五、石墨烯应用
• 电池 石墨烯的高导电、高比表面积、柔性、化学稳定性等 改善电池循环寿命、提高充电效率等
• 超级电容器 石墨烯的高导电、高比表面积等
• 复合材料 提高强度 （树脂、金属） 改善韧性（陶瓷） 改善导电性（树脂）
Lee C, Wei XD, Li QY, et al. Phys Status Solidi B – Basic Solid State Phys 2009;246:2562.
二、石墨烯特性
• 导电性能：
材料的导电率σ=neμ，单位S/cm n为载流子浓度 e为电子电荷，e=1.6×10-19C(库仑) μ为载流子迁移率
Βιβλιοθήκη Baidu 四、石墨烯检测
• 透射电子显微镜
(a)
(b)
(a)石墨烯TEM图像，(b)石墨烯上褶皱处高分辨TEM图像
四、石墨烯检测
(a)单层石墨烯高分辨TEM，(b，c)单、双层石墨烯混合，红色第一层， 蓝色第二层，(d)双层石墨烯处衍射斑点，标尺长度2埃
Meyer JC, Kisielowski C, Erni R, et al. Nano Lett 2008;8:3582.
2016-5-11
提纲
一、石墨烯概念 二、石墨烯特性 三、石墨烯制备 四、石墨烯检测 五、石墨烯应用
一、石墨烯概念
石墨烯(Graphene) 是一种由C原子形成的蜂巢状的二维结构，是C元素 的另外一种同素异形体。
电子显微镜下观测的石墨烯 其碳原子间距为0.14nm
单层石墨烯可看做富勒烯、碳纳米管、 石墨等材料的结构单元
Ferrari A.C., Meyer J.C., Scardaci V., et al. Physical Review Letters, 2006, 97(18): 18740
四、石墨烯检测
• X射线衍射分析
XRD能反应物质内部组成、层间距等信息
五、石墨烯应用
• 1.透明导电
用于太阳能电池、液晶屏用到的透明导电层。取代现有透明 电极：氧化铟锡（ITO），克服不同频率光吸收不均匀，并具有柔 性的特点。
Paredes JI, Villar-Rodil S, Solis-Fernandez P, et al. Langmuir 2009;25:5957.
四、石墨烯检测
• 扫描电子显微镜
SEM的二次电子成像，反应样品表面的微观形貌。
(a)
(b)
团聚的石墨烯（a）和超声分散后石墨烯（b）的SEM图片
四、石墨烯检测
一、石墨烯概念
• 计算为完美二维晶体，平坦无起伏 • 实验制备为具备褶皱起伏的二维晶体
石墨烯非完美二维晶体，也是其能在常温下稳定存在的原因
一、石墨烯概念
电子排布：1s22s22p2 轨道能量
石墨烯中，三个sp2杂化轨道使C原子形成平面结构，剩余1个2p轨道垂直于平 面，每个C原子提供1个可在面内自由移动的电子。
三、石墨烯制备
• 微机械分离法 • 石墨烯层间结合力弱，通过胶带反复折叠获得多层或单层石墨烯
机械剥离制备的石墨烯，Si基片上金相照片及器材原料
三、石墨烯制备
三、石墨烯制备
• 化学气相沉积法（CVD） 把含有构成薄膜元素的气态原料及反应所需其他气体引入
反应室，在衬底表面发生化学反应，从而生成所需薄膜。
4月23日，由重庆墨希科技有限公司研发的石墨烯柔性屏手机
五、石墨烯应用
• 2.晶体管
曼彻斯特大学采用标准半导体制备技术，采用电子束在石墨 烯上刻出沟槽，在被称为中央岛的位置保持一个带有微小圆笼的 量子点。电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可以像标准 场效应晶体管那样储存逻辑态。可极大提高运行频率（100GHz）。
四、石墨烯检测
• 透射电子显微镜
(a)铝基体中石墨烯TEM图像，(b)图中A点 处高分辨TEM图像
Li J.L., Xiong Y.C., Wang X.D., et al. MSEA, 2015, 626: 400-405.
四、石墨烯检测
• 拉曼光谱
拉曼分析是一种快速、无损的表征手段，其对晶格结构十分 敏感，可探测石墨烯层数、层与层之间堆叠序、缺陷与杂质密度 等信息。三个最重要峰为：G峰（~1580），2D峰（2700）和缺陷 或无序引起的D峰（~1350）。
(A) 单层石墨烯覆盖于多 空 Si基体上（标尺3μm） (B) 覆有石墨烯的单孔AFM 图像 (C) 测量示意图 (D) 单层石墨烯断裂后AFM 图像
单层石墨烯:
杨氏模量：1TPa 断裂强度：130GPa
超高强钢：（飞机起落架300M）
单层石墨烯模量、强度测量示意图
杨氏模量：0.2TPa
断裂强度：2GPa
导热系数
石墨烯的热导率约为5000 W/mK，是室温下铜的热导率（4 01 W/mK）的10倍多。
化学性质 光学特性
石墨烯具有与石墨相似的表面特性, 可以吸附各种原子和分 子。
单层石墨烯的可见光透过率97.7%，且与波长无关。因此自 由悬浮的石墨烯是高度透明且无色无味的。
二、石墨烯特性
• 力学性能：
三、石墨烯制备
• 热解SiC法 • 外延晶体生长法 • 碳纳米管切割法 • 高温高压生长法 • 电弧法 • 有机合成法 •…
三、石墨烯制备
• 石墨烯分类 • 按片层数量分类
o 单层石墨烯 o 双层石墨烯 o 少层石墨烯（3-10层） o 石墨烯微片(Graphene Nanoplates，GNP)（大于10层，小于100nm）
• 负载纳米粒子等
谢谢！
三、石墨烯制备
• 化学气相沉积法（CVD） • 常见衬底：Ni（a），Cu（b）
Li X., Cai W., Colombo L., et al. Nano Letters, 2009, 9(12): 4268-4272.
三、石墨烯制备
• 氧化石墨还原法
通过强酸（HNO3，H2SO4）等氧化石墨，扩大其片层间距， 后超声剥离，得要氧化石墨烯，最后还原表面含氧基团，获得石 墨烯。
石墨烯OM照片
OM照片对比度图像
Ni Z.H., Wang H.M., Kasim J., et al. Nano Letters, 2007, 7(9): 2758-2763.
四、石墨烯检测
• 原子力显微镜
AFM能准确反映样品表面纳米级别的厚度变化，衬底上单层 石墨烯厚度在0.8-1.2nm之间，第二层在0.33nm。
一、石墨烯概念
• Landau(1937)和Peierls(1935)通过热力学计算指出：完美的二维 晶体无法在非绝对零度以外存在
• 2004年第一次在英国曼彻斯特大学实验室中制备出
1958年 出生于俄罗斯
1974年 出生于俄罗斯
安德烈·海姆
康斯坦丁·诺沃肖洛夫
“在二维石墨烯材料的开创性实验” ——2010年诺贝尔物理学奖
二、石墨烯特性
特性
简述
力学性能
石墨烯是人类已知强度最高的物质，杨氏模量E=1TPa，拉 伸强度130Gpa
导电性能
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。在室温，石墨烯具有惊人的高电子迁移 率（electron mobility），其理论数值200000 cm2V−1s−1
二、石墨烯特性
• 导热系数：
材料种类 单层石墨烯 单壁碳纳米管
钻石 金 银 铜 铝 还原氧化石墨烯
导热系数K (W/mK)
~4840-5300
~3500
~900-2320 317 429 401 237
~114-2187
石墨烯具有极高的导热系数，但还原氧化石墨烯的导热系 数极大降低，与氧化程度、残余化学功能团等密切相关。
Bai, H.; Li, C.; Shi, G. Adv. Mater. 2011, 23, 1089.
三、石墨烯制备
• 液相剥离法 通常直接将石墨或膨胀石墨（快速升温至1000℃去除表
面含氧基团获得）加入某种有机溶剂或水中，通过超声、加 热等作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。
三、石墨烯制备
• 扫描电子显微镜
铝粉和氧化石墨烯水溶液混合不同时间后铝粉表面SEM图片
Li Z., Fan G., Tan Z., et al. Nanotechnology, 2014, 25(32): 325601.
四、石墨烯检测
• 扫描电子显微镜
TC4钛合金断口表面石墨烯SEM图像
四、石墨烯检测
• 透射电子显微镜
• 按功能分类
o 氧化石墨烯 o 还原氧化石墨烯 o 功能化石墨烯（如氟、含氧基团等表面修饰成键，氮、硼等元素
替位掺杂等）
• 只有片层少于10层，石墨烯才能表现出异常优异的电学性能 • 石墨烯微片和石墨在性能上没有区别，只是尺寸、形貌有所差异
四、石墨烯检测
• 光学显微镜
由于石墨烯和SiO2衬底的干涉作用，光学显微镜即可在SiO2 衬底上观察到单层石墨烯，对比度依赖于SiO2厚度、所用光的波 长和照射角度，常用100nm和300nmSiO2作为衬底。
C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, J. Hone, science 321, 385-388 (2008)
二、石墨烯特性
• 力学性能：
石墨烯种类 单层 双层 三层
杨氏模量E/TPa 1.02 1.04 0.98
断裂强度σ/GPa 130 126 101
随层数增加，石墨烯强度逐渐降低
材料种类
Si 锑化铟 石墨烯
银 铜
载流子浓度 （个/cm3）
1.5×1010 1.1×1016
1013(cm2)
6.6×1022 8.5×1022
载流子迁移率 cm2V−1s−1
1400 78000
200000
56 32
电导率 S/cm
2.52×10-6 0.17×102
106
0.63×106 0.17×106