石墨烯PPT.
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人类目前最强功能材料--石墨烯
一、石墨烯概念
二、发展简史
三、石墨烯特性 四、制备方法 五、应用前景
比钻石还硬的材料----石墨烯
石墨烯概念பைடு நூலகம்
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单 层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨 道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳 原子厚度的二维材料。
用AFM探针在石墨烯上“书写”纳米线
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（厚度约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，那么它将能承受大 约两吨重的物品。
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
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。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。 之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨 烯施加压力，以测试它们的承受能力。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜
加热 SiC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。
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。 科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源 （ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相 当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发 现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且 电子和电子之间也有很强的相互作用。
取向附生法—晶膜生长
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 1 1 5 0 ℃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 8 0 %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。
石墨烯市场售价大约5000元/克，比黄金贵15倍， 广泛用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领 域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导 性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
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。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，将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。
石墨烯的蜂窝晶格
化学性质
我们至今关于石墨烯化学知道的是：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。 石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质 得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学 方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重 困难。
石墨烯特性
导电性
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，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。
制备方法
已报道的制备方法主要有： 微机械分离法 取向附生法—晶膜生长 加热 SiC法 化学解理法 化学气相沉积法
制备方 法
微机械分离法
最普通的是微机械分离法，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。但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。
一、石墨烯概念
二、发展简史
三、石墨烯特性 四、制备方法 五、应用前景
比钻石还硬的材料----石墨烯
石墨烯概念பைடு நூலகம்
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单 层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨 道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳 原子厚度的二维材料。
用AFM探针在石墨烯上“书写”纳米线
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（厚度约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，那么它将能承受大 约两吨重的物品。
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
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。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。 之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨 烯施加压力，以测试它们的承受能力。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜
加热 SiC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。
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。 科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源 （ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相 当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发 现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且 电子和电子之间也有很强的相互作用。
取向附生法—晶膜生长
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 1 1 5 0 ℃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 8 0 %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。
石墨烯市场售价大约5000元/克，比黄金贵15倍， 广泛用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领 域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导 性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
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。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，将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。
石墨烯的蜂窝晶格
化学性质
我们至今关于石墨烯化学知道的是：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。 石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质 得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学 方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重 困难。
石墨烯特性
导电性
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，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。
制备方法
已报道的制备方法主要有： 微机械分离法 取向附生法—晶膜生长 加热 SiC法 化学解理法 化学气相沉积法
制备方 法
微机械分离法
最普通的是微机械分离法，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。但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。