石墨烯调研报告

石墨烯的基本知识
单层 石墨烯
富勒烯
纳米碳管
石墨
A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials, 2007, 6:183-191.
石墨烯的基本知识
石墨烯的稳定性
由于完美二维晶体不能在有限温度下稳定存在 ，近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的 解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。 解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。
石墨烯的基本知识
石墨烯的发现推翻了所谓“ 石墨烯的发现推翻了所谓“热 力学涨落不允许二维晶体在有 限温度下自由存在” 限温度下自由存在”*的原有认 震撼了整个物理界。 知，震撼了整个物理界。因此 其发现者A. 其发现者 K. Geim和K. S. 和 Novoselov获得了 获得了2008年诺贝尔 获得了 年诺贝尔 物理学奖的提名。 物理学奖的提名。
石墨烯的基本知识
石墨烯(Graphene) 石墨烯
2004年，曼彻斯特大 年 教授、 学Geim教授、Novoselov博 教授 博 士和同事以微机械剥离法剥 离层状石墨， 离层状石墨，发现了二维碳 原子平面结构——石墨烯。 石墨烯。 原子平面结构 石墨烯
3个 C 原子 6个 C 原子
高分辨STM图片 图片 高分辨 a) 石墨 b) 单层石墨烯
石墨烯的独特性质是由其独特的结构 所决定的。 所决定的。
石墨烯的基本知识
石墨烯
C原子外层 个电子通过 2杂化 原子外层3个电子通过 原子外层 个电子通过sp 形成强σ键 蓝 ， 形成强 键(蓝)，相邻两个键之 间夹角约为120°；第4个电子 间夹角约为 ° 个电子 为公共，形成弱π键 紫 ， 为公共，形成弱 键(紫)，为平 面结构。 面结构。
C60球棍模型
石墨烯的基本知识
纳米碳管(Carbon Nanotube) 纳米碳管
年日本NEC公司基础研 在1991年日本 年日本 公司基础研 究实验室的电子显微镜专家饭岛 (Iijima)在高分辨透射电子显微镜下 在高分辨透射电子显微镜下 检验石墨电弧设备中产生的球状碳 分子时， 分子时，意外发现了由管状的同轴 纳米管组成的碳分子,这就是现在被 纳米管组成的碳分子 这就是现在被 称作的“ 称作的“Carbon Nanotube”，即碳 ， 纳米管,又名巴基管 又名巴基管。 纳米管 又名巴基管。 碳纳米管一般分为单壁(右上 右上) 碳纳米管一般分为单壁 右上 和多壁（右下）两种。 和多壁（右下）两种。
HOPG微机械剥离法 微机械剥离法
利用手工或超声的方法将高取向性高温热解石 逐层剥离， 墨(HOPG)逐层剥离，缺点是效率低、无法大面积， 逐层剥离 缺点是效率低、无法大面积， 优点是层数可控，尤其可得到单层石墨烯。 优点是层数可控，尤其可得到单层石墨烯。 如果采用超 声剥离技术， 声剥离技术， 可以提高效 率和成品率
石墨烯
王东 2010年10月 2010年10月
调研报告的主要内容
石墨烯的基本知识 石墨烯的研究进展 晶圆级石墨烯 本人对该项目的若干建议
石墨烯的基本知识
C元素的同素异形体
石墨（Graphite）——层状 石墨（ ）——层状 结构， 结构，每一层中的碳按六方环状 排列， 排列，上下相邻层通过平行网面 方向相互位移后再叠置形成层状 结构， 结构，位移的方位和距离不同就 导致不同的多型结构。 导致不同的多型结构。 金刚石（ 金刚石（Diamond）— ） —四面体结构，四个碳原 四面体结构， 四面体结构 子占据四面体的顶点。 子占据四面体的顶点。
石墨烯的层数不同，性质也随之产生很大差异。 石墨烯的层数不同，性质也随之产生很大差异。
石墨烯的基本知识
石墨烯家族的其它成员
石墨烷(Graphane) 石墨烷
氢化石墨烯(Graphone) 氢化石墨烯
氧化石墨烯(Graphene Oxide) 氧化石墨烯
石墨烯的基本知识
石墨烯的独特性质
最薄——单层原子厚、准二维 单层原子厚、 最薄 单层原子厚 强度最高（ 强度最高（~1060 GPa） ） 惊人的热导率（ 惊人的热导率（3000 Wm-1K-1）和硬度 极高的载流子迁移率——105 cm2 V–1 s–1量级 极高的载流子迁移率 载流子的有效质量为0——弹道输运 载流子的有效质量为 弹道输运 室温半整数量子霍尔效应 电导率永不消失
Nanotechnology, 2008, 19: 455601
石墨烯的基本知识
SiC衬底高温热解法 衬底高温热解法
超高真空(10 下对SiC衬底氧化或氢化处理，加热 衬底氧化或氢化处理， 超高真空 -10Torr)下对 下对 衬底氧化或氢化处理 至1200~1500℃，再降温冷却形成石墨烯。优点是可得到单层 ℃ 再降温冷却形成石墨烯。 和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差， 面形成单层或少 和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差，Si面形成单层或少 层片状石墨烯， 面形成多层石墨烯 面形成多层石墨烯。 层片状石墨烯，C面形成多层石墨烯。
石墨烯的基本知识
- A atom - B atom The zigzag termination involves only one sublattice site. Graphene has two simple edge geometies.
The armchair termination involves both sub-lattice sites.
金刚石
C原子外层四个电子通过 原子外层四个电子通过 sp3杂化，形成较强 键，为 杂化，形成较强σ键 四面体结构，相邻两个键之 四面体结构， 间夹角约为109°。 间夹角约为 °
石墨烯的基本知识
石墨烯的能带结构（ 石墨烯的能带结构（一）
载流子为无静止质量的狄拉 费米子， 克-费米子，需用相对论量子力学 费米子 来描述。 来描述。
Physics Today (2007)
石墨烯的基本知识
石墨烯的能带结构（ 石墨烯的能带结构（二）
Monolayer Bilayer
Κ x
Κ
x
Vertical optical transition
Van Hove Singularity
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石墨烯的层间堆垛结构(Stacking) 石墨烯的层间堆垛结构
量子霍尔效应(QHE) 量子霍尔效应
SLG的霍尔电导率 σ xy = ±4(N + 1 2 )e / h ，相对于标 的霍尔电导率 准序列数值改变了1/2， 来自于双自旋和双能谷简并 来自于双自旋和双能谷简并； 准序列数值改变了 ，4来自于双自旋和双能谷简并； BLG遵循标准序列σ xy = ±4Ne2 / h ，但N=0，第一个峰 遵循标准序列 ， 消失，表明在中性点BLG有金属的性质。 有金属的性质。 消失，表明在中性点 有金属的性质
石墨烯在聚合 物中的相变。 物中的相变。 a) 加热前； 加热前； b) 加热后
Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132
石墨烯的基本知识
石墨烯的种类
单层石 墨烯 双层 石墨烯 石墨烯 少层 石墨烯
Bi-layer Graphene(BG) 层间以范德华力 （Van Der Waals）结合 ） Few-layer Graphene(FG) 层数<10） （层数 ） Single-layer Graphene(SG)
Modified from: /img/science/graphite © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials
石墨烯的基本知识
石墨烯的输运特性
对于单层或双层石墨烯，其最显著的性质： 对于单层或双层石墨烯，其最显著的性质： 1.高室温迁移率，且电子与空穴的迁移率几乎相 高室温迁移率， 高室温迁移率 其散射机制主要是声子散射； 等，其散射机制主要是声子散射； 2.载流子模型为无质量的狄拉克 费米子 载流子模型为无质量的狄拉克-费米子 载流子模型为无质量的狄拉克 (Massless Dirac-Fermions)； ； 3.半整数和反常霍尔效应、室温量子霍尔效应； 半整数和反常霍尔效应、 半整数和反常霍尔效应 室温量子霍尔效应； 4.电子相干弹道输运； 电子相干弹道输运； 电子相干弹道输运 5.库伦阻塞等。 库伦阻塞等。 库伦阻塞等
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单层石墨烯的反常电导率
零电场下，石墨烯 零电场下， 在Dirac点附近的电导 点附近的电导 率并未因载流子浓度n 率并未因载流子浓度 趋于零而消失， 趋于零而消失，相反却 接近量子化的电导率 4e2/h 产生的原因可能是 石墨烯的原子层起伏或 者与衬底的杂质间的相 互作用
石墨烯的基本知识
ACS Nano, 2009, 3: 3963
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石墨烯的磁学性质
石墨烯电子杂化程度高，本身不具磁性， 石墨烯电子杂化程度高，本身不具磁性，引入 杂质或缺陷使外层有未配对电子，会产生磁性。 杂质或缺陷使外层有未配对电子，会产生磁性。
北大孙强教授课题组报道 了利用氢化技术，使部分C原子 了利用氢化技术，使部分 原子 吸附H，破坏π键 使未氢化C 吸附 ，破坏 键，使未氢化 原子产生未配对的2p电子 电子， 原子产生未配对的 电子，它 们之间长程交换耦合， 们之间长程交换耦合，产生铁 磁性，居里温度278~417K，并 磁性，居里温度 ， 将其命名为Graphone。 将其命名为 。
单层石墨烯(Single-layer) 单层石墨烯
三层石墨烯(Tri-layer) 三层石墨烯 双层石墨烯(Bi-layer) 双层石墨烯
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- A atom - B atom Graphene has two atoms per unit cell.
These two atoms for two interlocking triangular sublattices.
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富勒烯（ 富勒烯（Fullerene） ）
1985年，英国化学家哈罗德·沃 年 英国化学家哈罗德 沃 特尔·克罗托博士和美国科学家理查 特尔 克罗托博士和美国科学家理查 德·斯莫利等人在氦气流中以激光汽 斯莫利等人在氦气流中以激光汽 化蒸发石墨实验中首次制得由60个 化蒸发石墨实验中首次制得由 个 碳组成的碳原子簇结构分子C 碳组成的碳原子簇结构分子 60。克 罗托获得1996年度诺贝尔化学奖。 年度诺贝尔化学奖。 罗托获得 年度诺贝尔化学奖 随后又陆续发现C 随后又陆续发现 70等一系列由 非平面的五元环、 非平面的五元环、六元环等构成的 封闭式空心球或椭球结构的共轭烯 结构， 结构，以建筑学家富勒命名为富勒 烯。
* Novoselov K S, Geim A K,
Firsov A A. Science, 2004, 306:666-669.
墨烯的基本知识
A. K. Geim和K. S. Novoselov已获 已获2010 和 已获 年诺贝尔物理奖
石墨烯的基本知识
什么是石墨烯？ 什么是石墨烯？
石墨烯——英文 英文Graphene， 石墨烯 英文 ， 命名来自英文graphite+ -ene，是一 命名来自英文 ， 种由C原子经 原子经sp 种由 原子经 2电子轨道杂化后形 成的蜂巢状的准二维结构， 成的蜂巢状的准二维结构，是C元 元 素的另外一种同素异形体。 素的另外一种同素异形体。 A.K. Geim教授认为，我们所 教授认为， 教授认为 熟知的石墨、 熟知的石墨、纳米碳管和富勒烯等 C的3维结构，是由单层石墨烯(SG) 的 维结构，是由单层石墨烯 维结构 经过某种形变而形成的。 经过某种形变而形成的。
Nano Letters, 2009, 9(11):3867-3870
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石墨烯的主要制备方法
物理方法
HOPG微机械剥离法 微机械剥离法 超声剥离法
化学方法
SiC高温热解法 高温热解法 过渡族金属衬底CVD法 过渡族金属衬底 法 氧化-分散 分散-还原法 氧化 分散 还原法 其它方法
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石墨烯的光学性质
石墨烯被氧等离 子体处理后， 子体处理后，被波 的激光激发， 长514nm的激光激发， 的激光激发 会产生500~800nm的 会产生500~800nm的 可见光光谱， 可见光光谱，光子 寿命在2ns以上 以上。 寿命在 以上。 1、2和3区域分别为 、 和 区域分别为 单层、双层和3层石 单层、双层和 层石 墨烯。 墨烯。