石墨烯

Graphene
性能
电学特性 光学特性 力学特性 热学特性
3.1电学特性
由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生 挤压，石墨烯中的电子受到的干扰也很小。电子在石墨烯中 传输时不易发生散射，迁移率可达 2 × 105cm2/V· s，约为硅 6 中电子迁移率的 140 倍，其电导率可达 10 S/m, 面电阻约为 30 Ω /□，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。
2.3结构表征技术
光学电子显微镜（OM） 光学显微镜是快速简便表征石墨烯层数的一种有效方法。 采用涂有氧化物的硅片作为衬底，调整硅的厚度到 300 nm，在 一定波长光波的照射下，可以利用衬底和石墨烯的反射光光强的 不同所造成的颜色和对比度差异来分辨层数。 光学显微镜是表征单层和多层石墨烯最直观的方法，但不能 精确分辨出石墨烯的层数。
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发现
生活中的C 从石墨到石墨烯 石墨烯与碳纳米管
1.1 生活中的C
01
石墨
金刚石 炭黑
02
03
汽车轮胎为什么是黑色的？世界上第一条轮胎是白色的…… 然而，由于碳结构的稳定性，黑色轮胎寿命最长，性价比最高
1.2从石墨到石墨烯
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D
化学剥离
微机械 剥离
C微机械剥离 利用胶带的粘合力， 通过多次粘 贴将高定向热解石墨、鳞片石墨 等层层剥离，然后粘贴到硅片等 目标基体上，用丙酮等溶剂去除 胶带，获取石墨烯
D化学剥离 利用氧化反应在石墨层的碳原子 上引入官能团，使石墨的层间距 增大，削弱其层间相互作用，然 后通过超声/快速膨胀将氧化石墨 层层分离得到氧化石墨烯，最后 通过化学还原或高温还原等方法 去除含氧官能团得到石墨烯
1.3石墨烯与碳纳米管
结构上 碳纳米管可看做由石墨烯卷曲而成的圆筒结构
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结构
成键形式 晶体结构 表征技术
2.1成键形式
石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化 轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平 面薄膜，是只有一个原子层厚度的 二维材料。C 原子外层 3 个电子通 过 sp2杂化形成强 σ 键（蓝）， 相 邻两个键之间的夹角 120°，第 4 个电子为公共，形成弱 π 键（紫）
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应用
典型应用 最新应用 印刷领域
5.1典型应用
5.2最新应用
太阳能电池
2010 年，清华大学 的研究人员首次将 石墨烯覆盖在传统 的单晶硅材料上， 研究发现其具有优 异的光电转换性能。 这样一个简易的太 阳能电池模型，经 过优化提升后光电 转换效率可以达到 10% 以上。
3.2光学特性
石墨烯导带和价带相交的零带隙独特结构，理论上石墨烯对 任何波长都有吸收作用；当入射光的强度超过某一临界值，石墨 烯对其的吸收会达到饱和，这一非线性光学行为称为可饱和吸收 利用石墨烯的可饱和吸收特性，可将其应用于激光的锁模技 术领域，对激光的脉冲宽度进行压缩，实现超快激光的输出。由 于零能隙结构，石墨烯可以对所有波波段的光无选择性吸收。
5.3印刷领域
石墨烯纸 石墨烯纸是一种层状的复合材料。层叠式结构的制备成本很 低，可与聚合物、陶瓷、金属等材料符合而制备高性能复合材料 氧化石墨烯纸的宏观力学性能比其他纸装材料都要优异，强度和 弹性模量都远远超过其他材料，在弯曲载荷下有相当的的柔性
5.3印刷领域
石墨烯油墨 适用于网印、凹印、柔印、胶印和喷墨印刷等方式，可以应 用于印刷线路板(PCB)、射频识别(rfid)、显示备（如 OLED）、电 极传感器等方面，能潜在应用于有机太阳能电池、印刷电池和超 级电容器上面。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、膜 开关、导电线路以及传感器等下一代轻、柔性电子产品中得到广 泛应用，市场前景巨大
1.2从石墨到石墨烯
石墨烯是石墨的极限形式，石墨烯这一术语最 早用来描述石墨层间化合物的单层石墨片。 至于“烯” 联想到石墨烯是由碳原子紧密排列 成苯环结构而形成的单层结构，则不足为奇了
1.3石墨烯与碳纳米管
碳纤维
碳纳米纤维
多壁碳纳米管
碳纳米管
石墨
膨胀石墨
薄层石墨层片
石墨烯
石墨烯与碳纳米管的发现过程
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石墨烯
Graphene
目录
CONTENTS
发现
结构
性能
制备
应用
生活中的C
从石墨到石墨烯 石墨烯与碳纳米管
成键形式
晶体结构 表征技术
电学性能 光学性能 力学性能 热学性能
化学气气相法 微机械剥离 化学剥离法 热分解碳化硅
典型应用 最新应用 印刷领域
3.3力学特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，其抗拉强度和弹性 模量分别为 125 GPa 和 1.1TPa, 可抵抗 18.7%的拉伸应力 。石墨烯的杨氏模量为~42 N/m2，面积为 1 m2的石墨烯 层片可承受 4 kg 的质量，其强度约为普通钢的 100 倍。
3.4热学特性
石墨烯的室温导热率约为 5×103W/m· K ，高于碳纳米管和金刚 石，是室温下铜的导热率（401 W/mK）的 10 倍多。另外，石墨 烯具有 2630 m2/g 超大的比表面积 ，用石墨烯制成的微传感器可 以感应单个原子或分子，当分子附着或脱离石墨烯表面时，吸 附的分子改变了石墨烯局部载流子浓度，导致电阻发生阶跃式变 化。利用这一特性可用于制作各种类型的传感器
2.2晶体结构
石墨烯的原胞由晶格矢量 a1和 a2 定义，每个原胞内有两个原子，分 别位于 A 和 B 的晶格上。 石墨烯的碳-碳键长约为 0.142 nm ，每个晶格内有三个 σ 键，连接十 分牢固，形成了稳定的 六边形。垂直于晶面方向上的 π 键 在石墨烯导电过程中起了很大作用
2.2晶体结构
光子传感器
2012 年 10 月IBM的 一个研究小组首次披 露了他们研制的石墨 烯光电探测器，接下 来人们要期待的就是 基于石墨烯的太阳能 电池和液晶显示屏了。 因为石墨烯是透明的， 用它制造的电板比其 它材料具有更优良的 透光性。
基因电子测序
由于导电的石墨烯 的厚度小于DNA链 中相邻碱基之间的 距离以及DNA四种 碱基之间存在电子 指纹，因此，石墨 烯有望实现直接的， 快速的，低成本的 基因电子测序技术
5.3印刷领域
喷墨印刷的石墨烯电路
5.3印刷领域
石墨烯柔性电极 美国西北大学材料科学与工程学院研究人员使用含有微小石墨烯薄片油 墨，以喷墨打印模式，打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下 降的柔性电极，未来有可能生产低廉、大幅、可折叠且精美细致的电子设备
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谢谢观看
宣 讲 人：赵 追 PPT 制 作：陈 然 资料收集：吴静璇 陶熙琰 孙国栋
Graphene
制备
化学气相法 微机械剥离 化学剥离法 热分解碳化硅
制备方法
化学气 相沉积 A B C
热分解 碳化硅
A化学气相沉积
B热分解பைடு நூலகம்化硅
利用甲烷等含碳化合物作为碳源， 利用硅的高蒸汽压，在高温和超 通过其在基体表面的高温分解生 高真空条件下使硅原子挥发，剩 余的碳原子通过结构重排在 SiC 长石墨烯 表面形成石墨烯层
1.2从石墨到石墨烯
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所谓“微机械剥离法” 竟然是用最普通的胶带 在高定向热解石墨上反 Lorem ipsum Lorem ipsum 复剥离 dolor sit amet dolor sit amet
2.2晶体结构
石墨烯是有限结构，能够以纳米级 条带的形式存在，根据边缘碳链的 不同可分为锯齿形和扶手椅形。锯 齿型石墨烯条带通常为金属型，而 扶手型石墨烯条带通常为金属型或 半导体型，呈现出不同的电子传输 特性。
2.3结构表征技术
石墨烯的结构表征技术具有特殊性，既要兼顾层片的宏观横 向尺度，又要实现原子解析。 典型的技术有：光学电子显微镜（OM）、扫描电子显微镜 （SEM）、原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（HRTEM） 拉曼散射（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外−可见光 光 (UV−Vis)
石墨烯是富勒烯、碳纳米管、石墨的基本组成单元，可以被 视为无限大的芳香族分子。 每个碳原子通过 sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一 个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未 成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为 0.335 nm，约为头发丝直
径的二十万分之一。
石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间的连接十分柔韧。受到 外力时，碳原子平面发生弯曲变形时，碳原子不必重新排列来适 应外力，从而保证了自身结构稳定性。
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2010年10月5日，瑞典皇 家科学院宣布，将2010年 诺贝尔物理学奖授予英国 曼彻斯特大学科学家安德 烈· 海姆和康斯坦丁· 诺沃 肖洛夫，以表彰他们在石 Lorem ipsum Lorem ipsum 墨烯材料方面的卓越研究 dolor sit amet dolor sit amet 海姆和诺沃肖洛夫于2004 年制成石墨烯材料，提出 了“微机械剥离法”