石墨烯简介
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2017
"新材料之王"——石墨烯
目录
• 1研究成果 • 2发展历程 • 3结构组成 • 4类别划分 • 5制备方法 • 6基本特性
研究成果
最小最快石墨烯晶体管
2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体 IBM展示最小最快石墨烯晶体管 IBM展示最小最快石墨烯晶体管 管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管 快50%。
• 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。
类别划分
单层石墨烯（Graphene）：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（Bilayer or double-layer graphene）：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。
03机械制法之 折叠加热SiC方法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气 刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除 去氧化物。用俄歇电子能石墨烯谱确定表面的氧化物完 全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃ 后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年 的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层 石墨烯。其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一 厚度的石墨烯比较困难。
多层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：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。
制备方法
01 微机械分离法 03 折叠加热SiC方法 05 化学还原法
02 取向附生法 04 化学还原法
该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM 去年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半 导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提 供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
缺点：是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛 选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地 制造长度足供应用的石墨薄片样本。
02机械制法之 取向附生法
A BUSINESS PLAN
Click here to add a title
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首 先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到 850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片 形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终 它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 80 %后， 第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互 作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦 合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。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 响碳层的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。
01机械制法之 折叠微机械分离法
是最普通的制法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体 上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了 单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备 方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进 行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些 絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
• 在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何 二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物 理学学术界。
结构组成
• 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(0D)的富 勒烯，卷成一维(1D)的碳纳米管或者堆垛成 三维(3D)的石墨， 因此石墨烯是构成其他石 墨材料的基本单元。
研究成果
全球最小光学调制器
可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待
美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科 学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速 信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部 高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家 实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团 队共同完成的，研究论文于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发 表。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬 的纳米材料，做成一个ห้องสมุดไป่ตู้速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的 调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
04化学制法之 化学还原法
化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的 比例混合 ， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼 在100℃回流24 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干 即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得 厚度为1 nm左右的石墨烯。
05机械制法之 化学分离法
其他研究成果
可呼吸二氧化碳电池 超级材料
10分钟充满手机
发展历程
• 石墨烯在实验室中是在2004年，当时，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。
"新材料之王"——石墨烯
目录
• 1研究成果 • 2发展历程 • 3结构组成 • 4类别划分 • 5制备方法 • 6基本特性
研究成果
最小最快石墨烯晶体管
2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体 IBM展示最小最快石墨烯晶体管 IBM展示最小最快石墨烯晶体管 管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管 快50%。
• 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。
类别划分
单层石墨烯（Graphene）：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（Bilayer or double-layer graphene）：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。
03机械制法之 折叠加热SiC方法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气 刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除 去氧化物。用俄歇电子能石墨烯谱确定表面的氧化物完 全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃ 后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年 的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层 石墨烯。其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一 厚度的石墨烯比较困难。
多层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：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。
制备方法
01 微机械分离法 03 折叠加热SiC方法 05 化学还原法
02 取向附生法 04 化学还原法
该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM 去年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半 导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提 供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
缺点：是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛 选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地 制造长度足供应用的石墨薄片样本。
02机械制法之 取向附生法
A BUSINESS PLAN
Click here to add a title
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首 先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到 850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片 形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终 它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 80 %后， 第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互 作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦 合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。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 响碳层的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。
01机械制法之 折叠微机械分离法
是最普通的制法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体 上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了 单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备 方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进 行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些 絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
• 在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何 二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物 理学学术界。
结构组成
• 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(0D)的富 勒烯，卷成一维(1D)的碳纳米管或者堆垛成 三维(3D)的石墨， 因此石墨烯是构成其他石 墨材料的基本单元。
研究成果
全球最小光学调制器
可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待
美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科 学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速 信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部 高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家 实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团 队共同完成的，研究论文于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发 表。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬 的纳米材料，做成一个ห้องสมุดไป่ตู้速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的 调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
04化学制法之 化学还原法
化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的 比例混合 ， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼 在100℃回流24 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干 即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得 厚度为1 nm左右的石墨烯。
05机械制法之 化学分离法
其他研究成果
可呼吸二氧化碳电池 超级材料
10分钟充满手机
发展历程
• 石墨烯在实验室中是在2004年，当时，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。