石墨烯

长沙理工大学材料科学导论
石墨烯论文
组长姓名：颜虎斌
成员姓名：董文渊唐文楚
吴世宇梁紫璋
王朔
指导老师：陈**
石墨烯
摘要
石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

石墨烯是非常重要的材料。

本论文首先对石墨烯的组成及基本性质进行阐述，然后分析石墨烯的制备方法，得出石墨烯的使用性质及应用。

关键词：石墨烯
目录
一、石墨烯简介 (1)
1.1石墨烯的来源 (2)
1.2石墨烯的成分 (2)
1.3石墨烯的结构 (2)
二、石墨烯的基本性质 (3)
2.1石墨烯的化学性质 (3)
2.2石墨烯的物理性质 (3)
三、石墨烯的制备方法及工艺流程 (3)
3.1物理方法 (3)
3.2化学方法 (5)
四、石墨烯的应用及前景 (6)
4.1应用 (6)
4.2发展前景 (7)
一、石墨烯简介
1.1石墨烯的来源
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。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

1.2石墨烯的成分
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。

1.3石墨烯的结构
石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。

碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。

石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。

在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。

石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。

[5]
石墨烯电子能结构石墨烯结构
二、石墨烯的基本性质
2.1石墨烯的化学性质
类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。

从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。

石墨烯具有超疏水性和超亲油性。

在一定条件下，石墨烯可以和氢、氧及氟，氯，溴反应，分别生成石墨烷、石墨炔、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯，溴化石墨烯，还可以生成上述的部分化合物（通常在许多方面具有实用价值）。

石墨烯化学有许多潜在的应用。

在石墨烯的功能化和许多应用上也具有指导意义。

2.2石墨烯的物理性质
A、它的原子结构是二维结构，所以比较软。

B、它的厚度只有一个碳原子的单层石墨那么厚，几乎透明，强度非常高，导电性也非常的好。

C、石墨烯是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

三、石墨烯的制备方法及工艺流程
3.1物理方法
用物理方法来制备石墨烯，通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过取向附生法、液相或气相直接剥离法、机械剥离法来制备单层或多层石墨烯。

这些方法原料易得, 操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。

A、取向附生法—晶膜生长制备石墨烯
使用稀有金属钌作为生长基质，利用基质的原子结构“种”出了石墨烯。

首先在 1150 °C下让C原子渗入钌中，然后冷却至850 °C，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯。

第一层覆盖率达80 %后，第二层开始生长，底层的石墨烯与基质间存在强烈的交互作用，第二层形成后就前一层与基质几乎完全分离，只剩下弱电耦合，这样制得了单层石墨烯薄片。

但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。

B、液相和气相直接剥离法制备石墨烯
液相和气相直接剥离法指的是直接把石墨或膨胀石墨(EG)(一般通过快
速升温至1000 °C以上把表面含氧基团除去来获取)加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。

Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将石墨分散在N-甲基–吡咯烷酮 (NMP) 中，超声1h 后单层石墨烯的产率为1%，而长时间的超声(462 h)可使石墨烯浓度高达1.2 mg/mL。

以廉价的石墨或膨胀石
墨为原料，制备过程不涉及化学变化，液相或气相直接剥离法制备石墨烯具有成本低、操作简单、产品质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷。

C、机械剥离法制备石墨烯
机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。

Novoselovt 于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。

具体工艺如下：首先利用氧等离子在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20 μm~2 mm、深5 μm的微槽后，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。

3.2化学方法
A、氧化石墨还原法
优点：方法较简单，原料成本不高，基本没有设备成本，且易于规模制备。

缺点：此法得到的石墨烯缺陷非常多，电学、力学性能都较差。

B、CVD，化学气相沉积法
优点：单次生长尺寸可以很大（将近20寸），有可能规模化生产，且生长得到的石墨烯性能很好缺陷少。

缺点：转移是难题，而且生长出来的一般都是多晶。

四、石墨烯的应用及前景
4.1、应用
A、制造下一代超级计算机。

石墨烯是目前已知导电性能最好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速度更快、能耗降低。

B、制造“太空电梯”的缆线。

科学家幻想将来太空卫星要用缆线与地面联接起来，那时卫星就成了有线的风筝，科学家现在终于找到了可以制造这种太空缆线的特殊材料，这就是石墨烯。

C、可作为液晶显示材料。

石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏。

D、制造新一代太阳能电池。

石墨烯透明导电膜对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性，是转换效率非常高的新一代太阳能电池最理想材料。

E、制造光子传感器。

去年10月，IBM的一个研究小组首次展示了他们研制的石墨烯光电探测器。

F、制造医用消毒品和食品包装。

中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。

利用石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗菌服装、床上用品等。

G、创制“新型超强材料”。

石墨烯与塑料复合，可以凭借韧性，兼具超薄、超柔和超轻特性，是下一代新型塑料。

H、石墨烯适合制作透明触摸屏、透光板。

I、制造晶体管集成电路。

石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。

10、制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，具有军事用途
4.2发展前景
石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。

石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。

研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

A、光子传感器—石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。

去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。

因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。

B、石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。

利用这一点石墨烯可以用来做绷带，食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管，因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极，使之更易于回收。

这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。