1、-正改变世界未来学 生：导 师：石墨烯神奇特性石墨烯新闻时讯石墨烯制备方法石墨烯研究进展石墨烯基本概念 铅笔，谁都用过。小时候，学写字，胖乎乎的手握着铅笔，在作业本上留下一个个歪歪扭扭的汉字。铅笔笔芯的主要成分是石墨。所以，我们在作业本上每划一笔，就是剥离了一层或者几层石墨片。，研究发现,当石墨的堆垛原子层数少于10 个单原子层时,石墨层就会具有与普通三维石墨不同的电子结构.一般将10 层以下的石墨结构统称为石墨烯.单层石墨烯的晶体结构如下图 所示,是由碳六元环组成的2D)周期蜂窝状点阵结构,厚度只有0.335nm,相当于头发丝直径的1/2万.石墨烯的形态富勒烯，富勒烯，1996诺贝尔化学奖诺
2、贝尔化学奖石墨烯的基本知识石墨烯的基本知识 C元素的同素异形体 石墨石墨（Graphite）层层状结构，每一层中的碳按六方环状结构，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层通过平行网状排列，上下相邻层通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。就导致不同的多型结构。金刚石金刚石（Diamond）四面体结构，四个碳原子占四面体结构，四个碳原子占据四面体的顶点。据四面体的顶点。石墨烯的基本知识石墨烯的基本知识石墨烯石墨烯 C C原子外层原子外层3 3个电子通过个电子通过spsp2 2杂化形杂化形成强成
3、强 键键(蓝蓝)，相邻两个键之间夹，相邻两个键之间夹角约为角约为120120；第；第4 4个电子为公共，个电子为公共，形成弱形成弱 键键(紫紫)，为平面结构。，为平面结构。金刚石金刚石 C C原子外层四个电子通过原子外层四个电子通过spsp3 3杂化，杂化，形成较强形成较强键，为四面体结构，相键，为四面体结构，相邻两个键之间夹角约为邻两个键之间夹角约为109109。石墨烯的基本知识石墨烯的基本知识 石墨烯的稳定性石墨烯的稳定性石墨烯的结构非常稳定，carbon-carbon bond仅为1.42埃米;。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必
4、重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。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。Nano Letters,2009,9(5):2129-2132石墨烯在聚合石墨烯在聚合物中的相变。物中的相变。a)加热前；加热前；b)加热后加热后二维的碳得来全不费功夫2004年，曼彻斯特大学Geim教授、Novoselov博士和同事以微机械剥离法剥离层状石墨，发现了二维碳原子平面结构石墨烯20042004年首次制成石墨烯材料。年首次制成石墨烯材料。这是目前世界上最薄的材料，这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子仅有一个原子厚。石墨厚。石墨烯的烯的发现推翻了所谓发现推翻
5、了所谓“热力学涨热力学涨落不允许二维晶体在有限温落不允许二维晶体在有限温度下自由存在度下自由存在”的原有认知，的原有认知，震撼了整个物理界。震撼了整个物理界。2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家A.K.Geim和K.S.Novoselov，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯基本概念石墨烯新闻时讯石墨烯制备方法石墨烯研究进展石墨烯神奇特性它是已发现强度最高的材料，比钻石还坚硬，是最好的钢铁强度的100多倍。G制造天梯的材料？八大八大预言预言太空梯太空梯 太空卫士太空卫士 千年虫千年虫通讯卫星通讯卫星 太空核动力太空核
6、动力预防地震预防地震 大脑备份大脑备份 人体冷冻术人体冷冻术天堂的喷泉讲述了两千年前，在赤道附近的岛国塔普罗巴尼发生了一场血腥的宫廷政变，暴君卡利达萨借机上台。此人并不满足于人间的欢乐，他要在高山之巅建造天国，向天神挑战，由是诞生了“天堂的喷泉”。康斯坦丁齐奥尔科夫斯基“天梯”作为一个科学概念，最早是于1895年、20022002年，美国登月计划参与者之年，美国登月计划参与者之一的一的Brad EdwardBrad Edward博士，在华盛顿博士，在华盛顿创建了创建了LiLi集团，正在以齐奥尔科集团，正在以齐奥尔科夫斯基的构想来实现人类夫斯基的构想来实现人类“一步一步登天登天”的伟大梦想。的伟
7、大梦想。货仓结构想象图平衡锤和天梯构造模型碳纳米管石墨烯我们把天梯简化为一条具有均匀的横截面积和质量分布，两端均无约束的长线，依靠地球重力绕地球相同角速度的圆周运动。由虚功原理可算出：L=140000km;即理想状态下天梯的长度为14万千米。接着我们来讨论天梯的建筑材料：这个张力与线密度之比的数值远大于我们熟知的材料（例如钢为3 106,碳为2 106），而石墨烯，前面提到过，强度在钢的200倍以上，可以达到6 107以上，因此可以说制造天梯从原理上是完全可行的。既然要制造太空梯，用什么材料来建呢？它是地球上已发现的最薄材料，用肉眼是看不见石墨烯的。=10万2nm厚的石墨烯薄膜，透过率超过95
8、%氧化铟锡屏幕VS石墨烯屏幕铟锡氧化物薄膜电阻的典型值为40/sq，可见光透过率大约为80%用氧化还原法制备的还原氧化石墨薄膜厚度小于3nm，可见光透过率大于90%。现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡。氧化铟锡的价格高、用量大、易碎、有毒性（与铅的毒性可比）。用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4千克的猫，而且是一只悬停在半空中的猫。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导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。导电性最好的材料，载流子（电子）在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过
9、了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。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。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。稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性石墨烯是电阻率最小的材料它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。=100万铜导线铜导线:传输速度最高可达传输速度最高可达100100兆兆1 01
10、0个石墨烯调制器个石墨烯调制器:传输速度可以达到传输速度可以达到1T1T网速提高一万倍，一秒钟可以下载十部电影 超级电容 场效应晶体管 发光二极管的电极材料 锂离子电池正极材料石墨烯基本概念石墨烯神奇特性石墨烯制备方法石墨烯研究进展石墨烯新闻时讯不得了的石墨烯20200808年年0 01 1月月0 09 9日日 深圳特区报深圳特区报美华裔科学家发现最高强度物质美华裔科学家发现最高强度物质 美国机械工程师用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。不得了的石
11、墨烯美华裔科学家将让网速快万倍美华裔科学家将让网速快万倍 将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器(调制器是控制数据传输速度的关键)，把电子信号转化成光学信号传输数字信息。20201111年年0 05 5月月2424日日 温州都市报温州都市报不得了的石墨烯2012011 1年年0 09 9月月0101日日 科技日报科技日报英将石墨烯聚光能力提高英将石墨烯聚光能力提高20倍倍 科学家通过将石墨烯和纳米金属结构耦合在一起，并将金属结构采用特殊的排列方法置于石墨烯上解决了这个问题。这种所谓的等离子体纳米结构显著增强了能被石墨烯感应的光电场，并能有效地将光集中在石墨烯上
12、，将石墨烯的聚光性能提高了20倍，而且其数据处理速度没有受到丝毫影响。不得了的石墨烯全球首款手机用石墨烯电容全球首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功触摸屏研制成功江南石墨烯研究院对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。20201212年年0 01 1月月1111日日 科技日报科技日报不得了的石墨烯2012013 3年年0 01 1月月2323日日 重庆日报重庆日报国内首片国内首片15英寸单层石墨烯在渝英寸单层石墨烯在渝问世问世 中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸
13、的石墨烯触摸屏。不得了的石墨烯2012013 3年年0 02 2月月0505日日 扬子晚报扬子晚报石墨烯石墨烯诺基亚的救命稻草诺基亚的救命稻草 在诺基亚研究中心的官方网站上，有这样一条消息：今年1月28日开始，欧盟将在接下来的10年间投入10亿欧元，赞助石墨烯材料的研发工作。未来的诺基亚手机应该不能用来敲核桃了。不得了的石墨烯2012013 3年年0 03 3月月1414日日 证券时报证券时报一分钟内给手机充电一分钟内给手机充电 目前，美国科学家最新研制一种超级电池，它们被称为微型石墨烯超级电容，其充电和放电速度比普通电池快1000倍。不得了的石墨烯2012013 3年年0 03 3月月191
14、9日日 中国日报中国日报美防务企业研发低成本石墨烯海美防务企业研发低成本石墨烯海水淡化技术水淡化技术 单层石墨烯薄片仅有1个原子的厚度，水分子可穿过石墨烯薄片中仅有1纳米宽的空隙，而构成盐主要成分的钠离子和氯离子则被阻挡在外。美国著名防务企业洛克希德氠丁公司希望在2013年年底之前研发出石墨烯海水过滤装置原型样机。不得了的石墨烯2012013 3年年0 03 3月月1414日日 威锋网威锋网世界首款配备石墨烯薄膜耳机原世界首款配备石墨烯薄膜耳机原型问世型问世 加州大学伯克利分校的研究人员研发了一款以石墨烯作为薄膜材料的耳机。通常，大部分的耳机都需要人造阻尼材料，但由于石墨烯良好的物理性，使得这
15、层石墨烯薄膜并不需要人为阻尼，它依靠空气，使得耳机的振动频率非常出色。不得了的石墨烯2012013 3年年0 03 3月月1818日日 浙江日报浙江日报浙大刷新超轻材料世界纪录浙大刷新超轻材料世界纪录 该校高分子系高超教授的课题组制备出了一种0.16毫克/立方厘米的超轻气凝胶，它刷新了目前世界上最轻固态材料0.18毫克/立方厘米的纪录。不但低于空气的密度，也低于氦气的密度。可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。不得了的石墨烯2012013 3年年0 03 3月月2020日日 华西都市报华西都市报炒作再起炒作再起 石墨烯三剑客联手涨停石
16、墨烯三剑客联手涨停 石墨烯虽然距离商用还很遥远，但在资本市场却是火热的品种，但凡有一点风吹草动就能引发股价的异动。昨日，石墨烯概念股新华锦、中钢吉炭、华丽家族集体涨停，金路集团涨幅超过了7%。石墨烯研究进展石墨烯新闻时讯矫正型公关沟通石墨烯制备方法石墨烯基本概念石墨烯神奇特性石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 HOPGHOPG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墨利用手工或超声的方法将高取向性高温热解石墨(HOPG)(HOPG)逐层剥离，缺点是效率低、无法大面积，优点是逐层剥离，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
17、石墨烯。层数可控，尤其可得到单层石墨烯。如果采用超如果采用超声剥离技术，声剥离技术，可以提高效可以提高效率和成品率率和成品率Nanotechnology,2008,19:4556011960 年，当时委内瑞拉电镜学家试图寻找一种具有足够强度的、对电子束透明的并且质地均一的材料作为样品的支持膜，他成功地从石墨晶体中剥离出了厚度为5 nm(约15 层石墨烯)的石墨片层1990 年以后，随着富勒烯和碳纳米管的发现，关于石墨烯的研究再次兴起。研究者发现当原子力显微镜(AFM)的探头在高定向热解石墨(HOPG)的表面摩擦后，可以掀起厚度在4 nm 左右的石墨烯纳米带并可以将其HOPG 的表面上折成几折1
18、999 年，Rodney S.Ruoff 等将HOPG 上刻蚀出的石墨柱在硅衬底上涂抹，得到了厚度小于10 nm 的石墨片层Philip Kim 在HOPG 的表面上刻蚀出石墨柱之后，用精密操作手将其转移到AFM 的悬臂上固定好，然后以悬臂上安装的石墨柱为针尖，在SiO2/Si衬底上进行接触模式(Contact Mode)下的操作。在将HOPG上刻蚀出石墨柱的一面压在涂有1m 厚湿光刻胶的玻璃片上，烘烤后这些石墨柱就留在了光刻胶上，从而实现了与HOPG 的分离，然后用透明胶带从光刻胶上反复的剥离，最后用丙酮将光刻胶溶解，留在光刻胶上的较薄的石墨烯片层也即分散在了丙酮溶液中。将SiO2/Si 衬
19、底在丙酮溶液中浸过后，再用大量的水和丙醇冲洗衬底，一部分石片层就留在了衬底上，然后将衬底在丙醇中超声，最后留在衬底上的基本上都是厚度小于10 nm 的片层，其中就有单层的石墨烯。搅拌球磨搅拌球磨臼式研磨臼式研磨行星球磨行星球磨厚度在10 nm 以下，相对完好的晶体结构，但的剪切力不足。厚度为1nm 左右，可以认为这是单层石墨烯的厚度。行星球磨对粉体也提供冲击力和剪切力两种类型的作用。厚度在2.5 nm 左右。石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 SiCSiC衬底高温热解法衬底高温热解法 超高真空超高真空(10(10-10-10Torr)Torr)下对下对SiCSiC衬底氧化或氢化处理，加热至衬底氧
20、化或氢化处理，加热至1200150012001500，通过超高真空高温加热单晶通过超高真空高温加热单晶SiC SiC 脱除脱除Si,Si,再降温冷却再降温冷却C C 原子重构生成石墨烯原子重构生成石墨烯片层。优片层。优点是可得到单层和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差，点是可得到单层和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差，Si Si面面形成单层或少层片状石墨烯，形成单层或少层片状石墨烯，C C面形成多层石墨烯。面形成多层石墨烯。转移到SiO2/Si 基片(a)和玻璃板(b)上的石墨烯薄膜Berger C,Song Z,Li X,et al.Electronic confinement and c
21、oherence in patterned epitaxial graphene.Science,2006,312(5777):11911196.石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 过渡族金属衬底过渡族金属衬底CVDCVD法法 首先沉积一层过首先沉积一层过渡族金属渡族金属(如如Fe、Cu、Ni、Pt、Au、Ru、Ir等等)薄膜作为衬底，利薄膜作为衬底，利用其与用其与C的高温固溶，的高温固溶，然后冷却析出，再表然后冷却析出，再表面重构，形成石墨烯。面重构，形成石墨烯。优点是有利于大面积优点是有利于大面积晶圆级石墨烯生长；晶圆级石墨烯生长；缺点是层数精确控制缺点是层数精确控制较难，需要进行金属较难，
22、需要进行金属衬底剥离和衬底转移衬底剥离和衬底转移。Nature,Letters,2009,457:07719石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 氧化氧化-分散分散-还原法还原法 将石墨氧化后分将石墨氧化后分散散(超声、高速离心超声、高速离心)到到溶液中得到前体，再溶液中得到前体，再用还原剂还原得到单用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。优层或多层石墨烯。优点是成本低廉，缺点点是成本低廉，缺点是可控性差，生产率是可控性差，生产率低，石墨烯中含氧功低，石墨烯中含氧功能团多，导电性差。能团多，导电性差。石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 石墨烯主要制备方法比较石墨烯主要制备方法比较工艺名称工艺名称优点优点缺
23、点缺点适用范围适用范围微机械微机械剥离剥离工艺简单，可得到工艺简单，可得到单层单层手工、费时，面积手工、费时，面积小，无法批量生产小，无法批量生产基础研究或基础研究或者原型器件者原型器件SiC高温高温热解热解纯度高，可原位监纯度高，可原位监控，可大面积生长，控，可大面积生长，无需衬底转移无需衬底转移均匀性较差，不同均匀性较差，不同原子截止面性质差原子截止面性质差异明显，成本高昂异明显，成本高昂高性能的电高性能的电子器件，晶子器件，晶圆级圆级CVD外延外延可实现大面积生长，可实现大面积生长，可控性较好可控性较好需过渡族金属催化，需过渡族金属催化，必须衬底转移必须衬底转移高性能电子高性能电子器件晶
24、圆级器件晶圆级化学分离化学分离工艺简单，可控性工艺简单，可控性较好较好无法大面积，含氧无法大面积，含氧功能团降低性能功能团降低性能基础研究或基础研究或小型器件小型器件 在上述制备方法中，在上述制备方法中，超声剥离、超声剥离、SiCSiC高高温热解和温热解和CVD-CVD-衬底转移衬底转移三种方法被认为最三种方法被认为最有希望实现大面积晶圆级石墨烯的制备，有希望实现大面积晶圆级石墨烯的制备，使得石墨烯最终替代使得石墨烯最终替代Si Si，成为延续摩尔定律，成为延续摩尔定律的下一代半导体材料的下一代半导体材料。石墨烯制备方法石墨烯新闻时讯石墨烯基本概念石墨烯神奇特性石墨烯研究进展石墨烯的研究进展石
25、墨烯的研究进展阴极反应：2H2O+O2+4e-4OH-阳极反应：Cu Cu2+2e-新型石墨烯涂层使金属耐腐蚀性提高百倍Singh Raman R K,Chakraborty Banerjee P,Lobo D E,et al.Protecting copper from electrochemical degradation by graphene coatingJ.Carbon,2012,50(11):4040-4045.“化学气相沉积”技术特殊领域中超薄防腐涂层更有利于产品的使用，如一些微电子组件，太阳能电池，气体传感器等领域。阳极保护：当金属的电位达到某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就
26、会得到有效抑制。C 的电势是+0.517 V,Cu的电势是+0.342 V防止金属腐蚀是一个很严重的全球性问题石墨烯的研究进展石墨烯的研究进展该涂料不仅具有环氧富锌涂料的阴极保护效应、玻璃鳞片涂料的屏蔽效应，更具有韧性好、附着力强、耐水性好、硬度高等特点，防腐性能超越现有重防腐涂料，是一款新型的优质高效产品。石墨烯改性防腐涂料石墨烯的研究进展石墨烯的研究进展 单层碳原子结构有应用于涂料的可能性：作为非侵入式涂料的非可见组成部分，作为一种聚集能量的智能皮肤，以及制成防污漆。常用的聚合物涂层很容易被刮伤，降低了保护性能；而石墨烯来做保护膜，显著延缓了金属的腐蚀速度，更加坚固抗损伤。石墨烯不仅是电子
27、产业的新星，应用于传统工业的前途也不可限量。其应用方向：海洋防腐、金属防腐、重防腐等领域。石墨烯改性散热涂料 石墨烯改性散热涂料具有高的热导率，辐射率和较大的散热表面积，能够以1-13.5 m波长形式发射走物体上的热量，降低物体表面和内部温度。其研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机、LED显示屏等，石墨烯能有助于大大提升散热性能。曾给文学家冰心留下美好的童年回忆启发过科学家牛顿揭示了牛顿环现象提出以泡泡膜为模板拼接石墨烯薄膜“泡泡”拼接出的石墨烯薄膜泡泡总是要破的？气泡表面活性剂水薄膜在干燥过程中，伴随水分蒸发，相互聚集的表面活性剂分子将仅仅依靠线性分子间引力来维持平衡，
28、而亲水端由于带相同电荷而存在静电排斥，这些都增加了泡泡干燥获得稳定的双分子层膜的难度。若将活性剂换成氧化石墨烯，就可以获得石墨烯薄膜材料“泡泡”拼接出的石墨烯薄膜活性剂薄膜氧化石墨烯薄膜碘化氢还原处理碘化氢还原处理71.2%透光率“泡泡”拼接出的石墨烯薄膜爬行健将足部纤维结构爬行健将足部纤维结构TEMTEM切面图切面图甲虫甲虫和和树蛙为什么能树蛙为什么能将足部保持附着在水将足部保持附着在水下树叶下树叶上？上？仿生方法生长石墨烯1Federle W,Barnes W J P,Baumgartner W,et al.Wet but not slippery:boundary friction in
29、 tree frog adhesive toe padsJ.Journal of the Royal Society Interface,2006,3(10):689-697.这些毛细管桥是由一些泡泡结构形成的，类似于甲虫和树蛙附着在水下树叶上的足部周围的气泡。铜催化剂层硅衬底毛细管桥多数半导体器件需要在硬质衬底如硅或石英上进行操作，因此，在硅晶圆上生长石墨烯薄膜，对于许多光电应用而言非常必要。Gao L,Ni G X,Liu Y,et al.Face-to-face transfer of wafer-scale graphene filmsJ.Nature,2013.仿生方法在硅衬底上生长
30、石墨烯石墨烯的研究进展石墨烯的研究进展美研制石墨烯新超级电池几秒内完成充电2012011 1年年0 09 9月月0 01 1日日 科技日报科技日报p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly,And You Will Know Everything.The More You Know,The More Powerful You Will Be写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
