新材料之王石墨烯

墨烯。 ? 至此，金刚石（三维），石墨（三维），石墨
烯（二维），碳纳米管（一维）和富勒烯（零 维）组成了一个完整的碳材料“家族”。
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石墨烯出现在实验室中是在 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 们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两 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。这以后， 制备石墨烯的新方法层出不穷，经过 5年的 发展，人们发现，把石墨烯带入工业化生产 的领域已为时不远了。 因此，两人在 2010 年 获得诺贝尔物理学奖。
纳米技术与材料确定为国家级优先发展的领域之一。
? 俄罗斯也始终把发展新材料相关技术产业作为国家战略和国家经济的
中国的新材料政策和计划
? 中国也提出了中国版的材料基因组计划，宗旨是“一个整体、多个层次、协同创新”。一 个整体即组建全国性的包括材料计算、材料学实验和数据库三位一体的“材料基因组研究 中心”，打造全国性的“材料创新基础设施”;多个层次即发挥中央和地方政府多方面的积 极性，既有政府的引导作用，也有企业的主导作用; 协同创新即计算、实验、数据库三要 素协同; 材料“发现 － 研发 － 生产 － 应用”各个环节的协同; “官、产、学、研、 用”的协同。
? 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300 ，远远超过了电子在一般导体中 的运动速度。
?机械特性
?石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁 还要高上100倍。
?研究人员发现，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微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度 相当于普通食品塑料包装袋的石墨烯，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，那么它会能承受大约两吨重 的物品。
? 美国处于世界科技的领先地位得益于对新材料研究的重视（MGI）。在已发表的 第一份国家关键技术报告中，美国就将新材料列为所提出的对国家经济繁荣和国 家安全至关重要的6个领域之首。
? 欧盟的关键使能技术（KETs），欧盟委员会指出KTEs的技术有助于提高欧盟未 来十年的国际竞争力。
? 日本在国际竞争中能够长期处于领先地位，也得益于其强大的材料科 技，特别是在半导体材料、电子材料、碳纤维复合材料及特种钢等领域 取得的成就。日本在其第二个科学技术基本计划( 2001 年 -2005 年) 中就曾提到要优先发展生命科学、信息通信、环境科学以及纳米技术与 材料等领域。第三个科学技术基本规划( 2006 年 -2010 年)中仍然将
? ●氧化还原法是制备石墨烯最广泛的方法之一，基本原理是在
? 石墨烯潜在潜在的应用价值的实现取决于低成本、高质量、规模化 可控设备。根据原料来源，石墨烯的制备方法可分为top-down和 bottom-up两大类制备方法。top-down主要有微机械剥离法和氧化还 原法。Bottom-up主要包括化学气相沉积法（CVD)和SIC外延生长法。
? ●微机械剥离法是制备高质量石墨烯最有效的方法之一 。2004 年， Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 用透明胶带，经过反复粘 揭，从高定向热解石墨中首次剥离出了石墨烯，获得了 2010 年诺贝 尔物理学奖， 但该方法存在耗时多，所得石墨烯尺寸小等缺陷，无法 实现工业化应用 。
?电子的相互作用 ?利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥
伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家 发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子 与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
石墨烯的制备方法
一、微机械剥离法 二、氧化还原法 三、化学气相沉积法（CVD ） 四、SiC 外延生长法
新材料之王 ------- 石墨烯
讲解：唐伟 PPT 制作：王新波 材料收集：杨嗣达
目录
一、引言 二、石墨烯的历史简介 三、石墨烯的性质 四、石墨烯的制备方法 五、石墨烯的应用 六、石墨烯的应用前景和发展方向
引言
? 世界各国历来重视材料，特别是新材料的发展。美国、欧洲、日本等发达国家 和地区将新材料发展作为国家科技发展战略的重要组成部分。
? 中国出台的新材料‘十三五'重在对相关产业的配套支持。助力早日实现“一代材料、一 代器件、一代系统”的设计理念。比如，基于石墨烯的“特斯拉”效应，产业渐行渐远，
石墨烯研究历史简介
? 1985年英美科学家发现富勒烯；
? 1991年日本物理学家lijima发现碳纳米管； ? 2004年英国曼彻斯特大学科学家成功制备石
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石墨烯的性质
一、导电导热特性 二、机械特性 三、电子的相互作用
? 导电导热特性
? 石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间 的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来 适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。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。由于原子间作用力十分 强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
? 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十 倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极 为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞， 传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81% 的电能， 石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。