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2016-5-11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年出生于俄罗斯1974年出生于俄罗斯4一、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（electronmobility），其理论数值200000cm2V−1s−1导热系数石墨烯的热导率约为5000W/mK，是室温下铜的热导率（401W/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,science321,385-388(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断裂强度：2GPa(A)单层石墨烯覆盖于多空Si基体上（标尺3μm）(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：8二、石墨烯特性石墨烯种类杨氏模量E/TPa断裂强度σ/GPa单层1.02130双层1.04126三层0.98101•力学性能：LeeC,WeiXD,LiQY,etal.PhysStatusSolidiB–BasicSolidStatePhys2009;246:2562.随层数增加，石墨烯强度逐渐降低9二、石墨烯特性•导电性能：材料的导电率σ=neμ，单位S/cmn为载流子浓度e为电子电荷，e=1.6×10-19C(库仑)μ为载流子迁移率材料种类载流子浓度（个/cm3）载流子迁移率cm2V−1s−1电导率S/cmSi锑化铟1.5×10101.1×10161400780002.52×10-60.17×102石墨烯1013(cm2)200000106银铜6.6×10228.5×102256320.63×1060.17×10610二、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~900-2320317429401237~114-2187•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。11三、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12三、石墨烯制备13三、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。14三、石墨烯制备•化学气相沉积法（CVD）•常见衬底：Ni（a），Cu（b）LiX.,CaiW.,ColomboL.,etal.NanoLetters,2009,9(12):4268-4272.15三、石墨烯制备•氧化石墨还原法通过强酸（HNO3，H2SO4）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。17三、石墨烯制备18三、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（3-10层）o石墨烯微片(GrapheneNanoplates，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NiZ.H.,WangH.M.,KasimJ.,etal.NanoLetters,2007,7(9):2758-2763.21四、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。ParedesJI,Villar-RodilS,Solis-FernandezP,etal.Langmuir2009;25:5957.22四、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)23四、石墨烯检测•扫描电子显微镜铝粉和氧化石墨烯水溶液混合不同时间后铝粉表面SEM图片LiZ.,FanG.,TanZ.,etal.Nanotechnology,2014,25(32):325601.24四、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25四、石墨烯检测•透射电子显微镜26四、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MeyerJC,KisielowskiC,ErniR,etal.NanoLett2008;8:3582.28四、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LiJ.L.,XiongY.C.,WangX.D.,etal.MSEA,2015,626:400-405.29四、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）。FerrariA.C.,MeyerJ.C.,ScardaciV.,etal.PhysicalReviewLetters,2006,97(18):1874030四、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谢谢！