石墨烯研究报告PPT

三、石墨烯特性 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 ALS 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。
探针在石墨烯上“ 用AFM探针在石墨烯上“书写”纳米线 探针在石墨烯上 书写”
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。
石墨烯的来源。常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排 列的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易 互相剥离，形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，形 成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是碳的二维结构，厚 度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头 发丝那么厚。英国曼彻斯特大学的两位科学家科斯提亚• 诺沃 谢夫和安德烈• 盖姆因为首先发现石墨烯获得2010年度的诺贝 尔物理学奖。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特 性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超 轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也 具有巨大的应用潜力。 石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用 来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未 来的计算机获得更高的速度。
四、制备方法 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1 0 0℃回流2 4 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。
五、应用前景 在纳电子器件方面的应用 2005年，Geim研究组[3 J与Kim研究组H 发现，室温下 石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s)， 并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度 的弹道传输特性(300 K下可达0．3 m)，这是石墨烯作为纳电 子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹 道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助 于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石 墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米 尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探 索单电子器件成为可能。
三、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。
利用NTT物性科学基础研究所正在开发的SiC热分解法制作的 SiC基板上的石墨烯（右），实际分布有1～多层的石墨烯
四、制备方法 包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过 高温裂解规模制备高品质无支持（Free standing）石墨烯材 料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及 气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一 种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。
通过粘贴Scotch胶带的“机械剥离法”制作石墨烯的顺序
四、制备方法 取向附生法—晶膜生长 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。
一、石墨烯概念： 石墨烯概念： 石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。 第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测 算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的 薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品 的压力，而不至于断裂； 第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中 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。 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。
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，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%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 同寻常的优良特性。
普通电容器和超级电容器结构（超级电容器不同于电池，在充放电时不会发生化 学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程完成的）
四、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。
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二、发展简史： 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。
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
四、制备方法 加热 SiC法 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 1250~1450 1min~20min 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。
人类目前最强功能材料--石墨烯 人类目前最强功能材料--石墨烯 --
比钻石还硬的材料----石墨烯 比钻石还硬的材料 石墨烯
目
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
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录
六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖 石墨烯材料的诞生获得 年诺贝尔物理学奖 七、国内生产状况 八、石墨烯实例
石墨烯的蜂窝晶格
三、石墨烯特性 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。
富勒烯（ 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， 和碳纳米管（ 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（ 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
三、石墨烯特性 ： 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。这使 得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见 光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现
三、石墨烯特性 ： 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。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
韩国成均馆大学和三星公司的研究人员已经制造出由 多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。 石墨烯的材质优点总结：其导电性能比铜还好几倍； 坚硬比钢铁大10倍而且极轻，由此可见可用于飞机制造来 减少重量与避弹衣制造。 石墨烯的应用前景：太空电梯缆线、替代硅生产超级 计算机、光子传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池 等领域。 瑞典和美国的科学家使用神奇的石墨烯材料的发光面 板，总有一天也许会让基本的灯泡变成多余的。
三、石墨烯特性 ： 电子运输 在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）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态物理界。虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层 石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级 别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 为量子电导的奇数倍， 且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在 石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。
四、制备方法 化学解理法 化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯 的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应， 迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到 石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全 红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。
上图为高定向热解石墨（HOPG），下图为从HOPG撕出来，置于厚度300 nm的 二氧化矽表面的石墨片烯。左下角浅色三角形为单层石墨片烯，其余为1 - 5层不等。