石墨烯

石墨烯英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年最早制作出石墨烯，并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖人类目前最强功能材料石墨烯英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年最早制作出石墨烯，并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖人类目前最强功能材料强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成他的研究小组把石墨烯加工为氧化石墨烯后，制成一种薄膜，其强度和韧性都很好。具有特殊的隔气透水的性能。用这种薄膜封装的绝大部分气体和液体都无法逸出来，显示出良好的密封性，唯有水能够照常蒸发。用这种薄膜封好一瓶伏特加酒，结果随着水分蒸发，酒的味道越来越浓。从左到右：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石墨烯触摸屏Outline1.Aboutgraphene1.1Graphenestructure1.2Multitudeofstrikingpropertiesofgraphene1.3Preparationofgraphene1.4Applicationofgraphene2.DesignExperiment2.1Preparationgraphene/grapheneoxide2.1.1graphene/grapheneoxidefilm2.1.2graphene/grapheneoxidedispersedinaqueousorsolvents2.1.3TiO2/ZnO-graphenenanocomposites2.1.4quantumdotbasedongraphene2.2ApplicationtoDSSC2.3ApplicationtoQDSSC2.3ApplicationtoFDSSC1.1GraphenestructureTheshadowedareadelineatestheunitcellofgraphenewithitstwonon-equivalentatomsAnewcarbonmaterialWithone-atom-thickandtwo-dimensionalconjugatedhoneycombcrystallatticestructureAsp2-hybridizedcarbonsheetMonolayer1.Aboutgraphene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类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子1.1GraphenestructureMultilayer1.1Graphenestructure单层石墨烯的电子结构。A是价带和导带在第一布里渊区的K点接触。B是由于石墨层的堆积而破坏了能带的对称性。C是由于不对称性而使价带和导带之间形成能量间隙。1.1GraphenestructureMultilayerOneofthekeychallengesinthesynthesisandapplicationofbulk-quantitygraphenesheetsis:ToovercomethestrongcohesivevanderWaalsenergyoftheπ-stackedlayersingraphite1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene1.HighcarriermobilityandthequantumHalleffect2.Themechanicalflexibilityandhighopticaltransparency------flexibleelectronics3.Highsurfacearea------sensors4.Optimalmechanicalproperties1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene1.HighcarriermobilityandthequantumHalleffect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，远远超过了电子在一般导体中的运动速度（非常高的电子迁移率）。因此，在微电子领域,制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，以获得更高的速度，石墨烯有可能会成为硅的替代品。①Highcarriermobility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。1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene1.HighcarriermobilityandthequantumHalleffect②quantumHalleffect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。1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene2.Themechanicalflexibilityandhighopticaltransparency------flexibleelectronics1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene5.Optimalmechanicalproperties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。石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。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1.2Multitudeofstrikingpropertiesofsingle-andfewlayergraphene5.Optimalmechanicalproperties石墨烯样品开始断裂前，其每100nm上可承受的最大压力达到2.9uN,这一结果相当于要施加55N的力才可以使1m的石墨烯断裂。由此可见石墨烯具有相当好的力学性能。A是表面钻有小孔的晶体薄板，这些孔的直径为1--1.5umC是对放在晶体板上的石墨烯进行纳米压横处理的原理图。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1.3Preparationofgraphene1.3PreparationofgrapheneRawmaterialsforproducinggrapheneandgraphene-basednanomaterialsinatop-downfashionGraphenecanbe0D:fullerenes(wrappedup)1D:nanotubes(rolledinto)3D:graphite(stackedinto)1.3PreparationofgrapheneOxidativeexfoliationofgraphite:BrodiemethodsStaudenmaiermethodsHummersmethodsGraphiteoxideGraphiteSolvothermalreductionStrongalkalinemethodElectrochemicalreductionHydrogenplasmatreatmentPhotoreductionFlashconversionExposureofgraheneoxidetoreductantsor1.3PreparationofgrapheneOxidativeexfoliationofgraphite:GraphiteoxideGraphiteAdvantage:massproductionfunctionalizationDisadvantage:defectsoxygen-containinggroupsResultinginonlypartialrestorationofthesp2-conjugatedgraphenenetwork1.3PreparationofgrapheneAdvantage:massproductionfunctionalizationDisadvantage:defectsoxygen-containinggroupsPristinegraphiteornonoxidizedintercalatedgraphitecouldbeexfoliatedincertainsolventsDMF,NMP,ionicliquid,ortho-dichlorobenzene,benzylamine,surfactant-watersolutions离子液体，正-二氯代苯，苄胺DCM:dichloromethane二氯甲烷DEG:Diethyleneglycol三亚乙基DMAc:dimethylacetamide二甲基乙酰胺DMF:N,N-dimethylformamide二甲基甲酰胺Hexane:乙烷NMP:N-methylpyrrolidoneN甲基吡咯烷酮SDBS:sodiumdodecylbenzenesulfonate十二烷基苯磺酸钠（surfactant）SDS:Sodiumdodecylsulfate十二烷基硫酸钠Toluene:甲苯1.3PreparationofgrapheneAdvantage:massproductionfunctionalizationDisadvantage:defectsoxygen-containinggroupsPristinegraphiteornonoxidizedintercalatedgraphitecouldbeexfoliatedincertainsolventsDMF,NMP,ionicliquid,ortho-dichlorobenzene,benzylamine,surfactant-watersolutions离子液体，正-二氯代苯，苄胺Theyieldofsingle-orfew-layergraheneobtainedthroughthesemethodsremainslow1.3PreparationofgrapheneAdvantage:massproductionfunctionalizationDisadvantage:defectsoxygen-containinggroupsaim:decreasingdefectsimprovingprocessibility!Conventionalsynthetictechniquesusuallyyieldpraphenesamplesasamixturewithvarioussizes,shapes,edges,andlayernumbersduetotherandomnessoftheexfoliationprocess.尺寸大小不一、不易控制，很难获得足够长度的石墨烯1.3PreparationofgrapheneLiquidNH3Liintercalation-exfo