1、2016-5-11精制课件提纲一、石墨烯概念二、石墨烯特性三、石墨烯制备四、石墨烯检测五、石墨烯应用2精制课件一、石墨烯概念石墨烯(Graphene)是一种由C原子形成的蜂巢状的二维结构，是C元素的另外一种同素异形体。单层石墨烯可看做富勒烯、碳纳米管、石墨等材料的结构单元电子显微镜下观测的石墨烯其碳原子间距为0.14nm3精制课件一、石墨烯概念Landau(1937)和Peierls(1935)通过热力学计算指出：完美的二维晶体无法在非绝对零度以外存在2004年第一次在英国曼彻斯特大学实验室中制备出 安德烈海姆 康斯坦丁诺沃肖洛夫“在二维石墨烯材料的开创性实验”2010年诺贝尔物理学奖1958
2、年出生于俄罗斯1974年出生于俄罗斯4精制课件一、石墨烯概念 计算为完美二维晶体，平坦无起伏 实验制备为具备褶皱起伏的二维晶体石墨烯非完美二维晶体，也是其能在常温下稳定存在的原因5精制课件一、石墨烯概念电子排布：1s22s22p2轨道能量石墨烯中，三个sp2杂化轨道使C原子形成平面结构，剩余1个2p轨道垂直于平面，每个C原子提供1个可在面内自由移动的电子。6精制课件二、石墨烯特性特性简述力学性能石墨烯是人类已知强度最高的物质，杨氏模量E=1TPa，拉伸强度130Gpa导电性能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。在室温，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electr
3、on mobility），其理论数值200000 cm2V1s1导热系数石墨烯的热导率约为5000 W/mK，是室温下铜的热导率（401 W/mK）的10倍多。化学性质石墨烯具有与石墨相似的表面特性,可以吸附各种原子和分子。光学特性单层石墨烯的可见光透过率97.7%，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无色无味的。7精制课件二、石墨烯特性单层石墨烯模量、强度测量示意图C.Lee,X.Wei,J.W.Kysar,J.Hone,science 321,385-388(2008)单层石墨烯:杨氏模量：1TPa 断裂强度：130GPa超高强钢：（飞机起落架300M）杨氏模量：0.2TPa 断
4、裂强度：2GPa (A)单层石墨烯覆盖于多 空Si基体上（标尺3m）(B)覆有石墨烯的单孔AFM图像(C)测量示意图(D)单层石墨烯断裂后AFM图像 力学性能：8精制课件二、石墨烯特性石墨烯种类杨氏模量E/TPa断裂强度/GPa单层1.02130双层1.04126三层0.98101 力学性能：Lee C,Wei XD,Li QY,et al.Phys Status Solidi B Basic Solid State Phys 2009;246:2562.随层数增加，石墨烯强度逐渐降低9精制课件二、石墨烯特性 导电性能：材料的导电率=ne，单位S/cm n为载流子浓度 e为电子电荷，e=1.6
5、10-19C(库仑)为载流子迁移率材料种类载流子浓度（个/cm3）载流子迁移率cm2V1s1电导率S/cmSi锑化铟1.510101.110161400780002.5210-60.17102石墨烯1013(cm2)200000106银铜6.610228.5102256320.631060.1710610精制课件二、石墨烯特性材料种类导热系数K(W/mK)单层石墨烯4840-5300单壁碳纳米管3500钻石金银铜铝还原氧化石墨烯900-2320317429401237114-2187 导热系数：石墨烯具有极高的导热系数，但还原氧化石墨烯的导热系数极大降低，与氧化程度、残余化学功能团等密切相关。
6、11精制课件三、石墨烯制备微机械分离法石墨烯层间结合力弱，通过胶带反复折叠获得多层或单层石墨烯机械剥离制备的石墨烯，Si基片上金相照片及器材原料12精制课件三、石墨烯制备13精制课件三、石墨烯制备 化学气相沉积法（CVD）把含有构成薄膜元素的气态原料及反应所需其他气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，从而生成所需薄膜。14精制课件三、石墨烯制备 化学气相沉积法（CVD）常见衬底：Ni（a），Cu（b）Li X.,Cai W.,Colombo L.,et al.Nano Letters,2009,9(12):4268-4272.15精制课件三、石墨烯制备 氧化石墨还原法 通过强酸（HNO3，H
7、2SO4）等氧化石墨，扩大其片层间距，后超声剥离，得要氧化石墨烯，最后还原表面含氧基团，获得石墨烯。Bai,H.;Li,C.;Shi,G.Adv.Mater.2011,23,1089.16精制课件三、石墨烯制备 液相剥离法 通常直接将石墨或膨胀石墨（快速升温至1000去除表面含氧基团获得）加入某种有机溶剂或水中，通过超声、加热等作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。17精制课件三、石墨烯制备18精制课件三、石墨烯制备 热解SiC法 外延晶体生长法 碳纳米管切割法 高温高压生长法 电弧法 有机合成法 19精制课件三、石墨烯制备 石墨烯分类 按片层数量分类o单层石墨烯o双层石墨烯o少层石墨烯（3
8、-10层）o石墨烯微片(Graphene Nanoplates，GNP)（大于10层，小于100nm）按功能分类o氧化石墨烯o还原氧化石墨烯o功能化石墨烯（如氟、含氧基团等表面修饰成键，氮、硼等元素替位掺杂等）只有片层少于10层，石墨烯才能表现出异常优异的电学性能石墨烯微片和石墨在性能上没有区别，只是尺寸、形貌有所差异20精制课件四、石墨烯检测 光学显微镜 由于石墨烯和SiO2衬底的干涉作用，光学显微镜即可在SiO2衬底上观察到单层石墨烯，对比度依赖于SiO2厚度、所用光的波长和照射角度，常用100nm和300nmSiO2作为衬底。石墨烯OM照片OM照片对比度图像Ni Z.H.,Wang H.
9、M.,Kasim J.,et al.Nano Letters,2007,7(9):2758-2763.21精制课件四、石墨烯检测 原子力显微镜 AFM能准确反映样品表面纳米级别的厚度变化，衬底上单层石墨烯厚度在0.8-1.2nm之间，第二层在0.33nm。Paredes JI,Villar-Rodil S,Solis-Fernandez P,et al.Langmuir 2009;25:5957.22精制课件四、石墨烯检测 扫描电子显微镜 SEM的二次电子成像，反应样品表面的微观形貌。团聚的石墨烯（a）和超声分散后石墨烯（b）的SEM图片(a)(b)23精制课件四、石墨烯检测 扫描电子显微镜铝
10、粉和氧化石墨烯水溶液混合不同时间后铝粉表面SEM图片Li Z.,Fan G.,Tan Z.,et al.Nanotechnology,2014,25(32):325601.24精制课件四、石墨烯检测 扫描电子显微镜TC4钛合金断口表面石墨烯SEM图像25精制课件四、石墨烯检测 透射电子显微镜26精制课件四、石墨烯检测 透射电子显微镜(a)(b)(a)石墨烯TEM图像，(b)石墨烯上褶皱处高分辨TEM图像27精制课件四、石墨烯检测(a)单层石墨烯高分辨TEM，(b，c)单、双层石墨烯混合，红色第一层，蓝色第二层，(d)双层石墨烯处衍射斑点，标尺长度2埃Meyer JC,Kisielowski C
11、,Erni R,et al.Nano Lett 2008;8:3582.28精制课件四、石墨烯检测 透射电子显微镜(a)铝基体中石墨烯TEM图像，(b)图中A点 处高分辨TEM图像Li J.L.,Xiong Y.C.,Wang X.D.,et al.MSEA,2015,626:400-405.29精制课件四、石墨烯检测 拉曼光谱 拉曼分析是一种快速、无损的表征手段，其对晶格结构十分敏感，可探测石墨烯层数、层与层之间堆叠序、缺陷与杂质密度等信息。三个最重要峰为：G峰（1580），2D峰（2700）和缺陷或无序引起的D峰（1350）。Ferrari A.C.,Meyer J.C.,Scardaci
12、 V.,et al.Physical Review Letters,2006,97(18):1874030精制课件四、石墨烯检测 X射线衍射分析 XRD能反应物质内部组成、层间距等信息31精制课件五、石墨烯应用 1.透明导电 用于太阳能电池、液晶屏用到的透明导电层。取代现有透明电极：氧化铟锡（ITO），克服不同频率光吸收不均匀，并具有柔性的特点。4月23日，由重庆墨希科技有限公司研发的石墨烯柔性屏手机32精制课件五、石墨烯应用 2.晶体管 曼彻斯特大学采用标准半导体制备技术，采用电子束在石墨烯上刻出沟槽，在被称为中央岛的位置保持一个带有微小圆笼的量子点。电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。可极大提高运行频率（100GHz）。33精制课件五、石墨烯应用 传感器 石墨烯单原子层结构，其所有原子与环境接触，同时其具有良好化学稳定性和低的本征噪声，是理想的传感器材料。34精制课件五、石墨烯应用 电池 石墨烯的高导电、高比表面积、柔性、化学稳定性等 改善电池循环寿命、提高充电效率等 超级电容器 石墨烯的高导电、高比表面积等 复合材料 提高强度（树脂、金属）改善韧性（陶瓷）改善导电性（树脂）负载纳米粒子等35精制课件谢谢！
