石墨烯的应用前景

毕业论文（设计）论文（设计）题目：石墨烯的应用前景姓名学号院系专业年级指导教师年月日目录摘要..............................................................3ABSTRACT............................................................2第1章石墨烯的发现.................................................3第2章石墨烯的特性.................................................4第3章石墨烯的应用前景.............................................43.1能够承载汽车的吊床..........................................43.2作为宇宙学研究的平台........................................43.3代替硅生产超级计算机........................................53.4可做“太空电梯”缆线..........................................53.5双层石墨烯可降低元器件电噪声................................53.6储氢材料....................................................53.7作为电子和空穴两者的传输材料................................63.8其它应用....................................................6第4章石墨烯的展望.................................................7参考文献............................................................8致谢..............................................................8新乡学院本科毕业论文（设计）1摘要2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)等制备出了石墨烯。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,成为了科学界新的研究热点，本文就石墨烯的应用前景及展望进行了一定的综述。关键词：石墨烯；发现；特性；应用前景新乡学院本科毕业论文（设计）2ABSTRACTIn2004,attheuniversityofManchester,Englandandreik.Geim(Andrek.Geim)suchasthepreparationofgraphene.Graphenenotonlyisthethinnestinaknownmaterial,alsoisverystrong,hard;Itistheelemental,passelectronsatroomtemperatureinspeedisfasterthanconductorsareknown.Grapheneoverthrewthescientificmistakes-along,longtimenotwo-dimensionalcrystalcannotliveunderthelimitedtemperaturestability.Nowthetwo-dimensionalgraphenecrystalsnotonlycanexistatroomtemperature,andverystableexistsintheusualenvironment.Grapheneduetoitsspecialelectrical,thermal,mechanicalandotherpropertiesaswellasinnanoscaleelectronicdevices,thepotentialapplicationofenergystoragematerials,photoelectricmaterials,etc,becomeanewresearchhotspottoscience,inthispaper,theapplicationsofgraphene?Keywords：graphene,Discovery.Features;Theapplicationprospect新乡学院本科毕业论文（设计）3第1章石墨烯的发现科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，然而单层石墨烯的制备一直没有成功，于是不少人认为任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)等制备出了石墨烯，推翻了科学界这一错误认识。他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜,他们用胶带从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。新乡学院本科毕业论文（设计）4第2章石墨烯的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。这使得石墨烯中的载荷子的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚，而其比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。第3章石墨烯的应用前景石墨烯以其独特的结构、性质及潜在的应用,吸引了无数科学工作者的眼光，已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。3.1能够承载汽车的吊床单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm。但强度却与金刚石相当，非常坚硬。瑞典皇家科学院（RoyalSwedishAcademyofSciences）在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。3.2作为宇宙学研究的平台精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲数，用希腊字母α表示，它与量子电动力学有着紧密的渊源。它将电动力学中的电荷e、量子力学中的普朗克常数h、相对论中的光速c联系起来，定义为α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中e是电子的电荷，ε0是真空介电常数，h是普朗克常数，c是真空中的光速).而其大小为什么约等于1/137至今尚未得到令人信服的回答。Geim与Rahul.Nair和Peter.Blake两位博士一道，首次创造出巨大的悬浮石墨烯薄膜。他们发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度，可以吸收大约2.3%的可见光。而相关的理论研究也表明，如果将这一数字除以新乡学院本科毕业论文（设计）5圆周率，就会得到较为精确的精细结构常数值。3.3代替硅生产超级计算机科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。3.4可做“太空电梯”缆线据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。3.5双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司T·J·沃森研究中心的科学家，最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠加，可以将元器件的电噪声降低10倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。3.6储氢材料储氢材料具有在特定条件下吸附和释放氢气的能力。但目前各种材料的成本新乡学院本科毕业论文（设计）6都较高,极大地限制了储氢材料发展。Georgios等利用多尺度理论方法研究了一种新型3D碳纳米结构(柱状石墨烯)的储氢能力,这种柱状多孔纳米结构的孔径及表面积是可调的,高表面积与适当大小的孔径尺寸是其储氢能力的关键参数。进一步研究表明,掺杂锂离子之后,室温条件下,柱状石墨烯的储氢能力高达41g/L。因此,石墨烯这种新材料的出现,为人们对储氢材料的设计提供了一种新的思路和材料。3.7作为电子和空穴两者的传输材料石墨烯在太阳能电池用途方面被寄予厚望的不仅仅是与太阳有关的透明电极。插入半导体层之间的中间电极方面的应用目前也正在探讨之中。石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。首次分离单层石墨烯的英国曼彻斯特大学研究人员康斯坦丁·诺沃肖洛夫曾在接受《日经电子》杂志采访时表示“有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应用之一”。在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相容性较高。特别是中间电极材料要求同时兼具这两个性质。具体来说，“与（迄今普遍用做中间电极的）TiO2/PDOT相比，石墨烯电极与半导体层的相容性更好”（日本埼玉大学上野启司副教授）。在这一方面，石墨烯中电子和空穴的载流子迁移率相等这一性质也作出了一定贡献。以前，中间电极一般重叠使用n型和p型两种材料。由于石墨烯既有n型又有p型，因此仅需1层石墨烯就能替代原来的材料。3.8其它应用石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞新乡学院本科毕业论文（设计）7机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。第4章石墨烯的展望1.电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管。2.进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性。3.探索单电子器件。4.在同一片石墨烯上集成整个电路。5.其它潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机