石墨烯的结构与性能

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。 • 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 。
石墨烯的制备：
微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法
电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 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
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
准备工作 制备步骤 UHV生长室 金属放入UHV 在晶格匹配 衬底粗糙度 生长室，在金 的金属上高 <0.03um， 属衬底上热分 真空热解含 丙酮、乙醇 解乙烯,并高 碳化合物 超声波洗涤 温退火。
原理
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
光子传感器
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池
可折叠的显示器
薄得像纸一样的iPhone概念手机
石墨烯的应用—储能材料
石墨烯具有极高的理论比表 面积，结构上独立存在。故 石墨烯片层两边均可以形成 双电层。且由于石墨烯片层 所特有的褶皱，有利于电解 液的扩散。
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.。
（a）石墨烯超级电容器装置原理图 （b）产业级硬币状的超级电容器
超级电容 器的制作
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
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。
在二氧化硅/硅衬底上沉积300nm镍膜
镍膜/石 墨烯
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
来自百度文库
大面积石墨烯的制备—CVD法：
结 论 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, 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱
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。
石墨烯的应用
双层石墨烯可降低元器件电噪声
美国IBM公司T.J. 沃森研究 中心的科学家，最近攻克 了在利用石墨构建纳米电 路方面最令人困扰的难题， 即通过将两层石墨烯片叠 加，可以将元器件的电噪 声降低10倍，由此可以大 幅改善晶体管的性能，这 将有助于制造出比硅晶体 管速度快、体积小、能耗 低的石墨烯晶体管。
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。 • 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。
石墨烯的应用
微电子领域
微电子领域也具有巨大的应用潜 力。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。
可在26GHz频率下运作可望使该种 材料超越硅的极限，达到100GHz 以上的速度跨入兆赫（terahertz ） 领域。
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池
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。
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
大面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
在室温下硅基处理器的运行速度达到 4-5GHz 后就很难在继续提高。
使用石墨烯作为基质生产出 的处理器能够达到1THz （即1000GHz）
超级计算机芯片-目前世上电阻率 最小的材料，电阻率仅为10-6 Ω•cm
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池
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
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
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。
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。
锂电子电池
太阳能电池 超级电容器
储能材料
超级电容器是一种新型 储能装置，不仅绿色环 保，且功率密度、循环 寿命都比电池大得多
石墨烯的应用—超级电容器的制
作
压制 石墨烯： 成直径14 乙炔黑：聚四 毫米，厚度 氟乙烯=85:10： 0.3mm电极片 5混匀
两电极 超级电 容器
120℃下真 空干燥12 小时