单双层石墨烯的性质与研究
学校代码10722学号1007212119分类号密级公开
本科毕业设计（论文）
题目: 单双层石墨烯的性质与研究
Single layer graphene properties and research
作者姓名:马龙
专业名称: 物理学
学科门类: 理学
指导教师: 王党朝
提交论文日期:二○一二年五月
成绩等级评定:
单双层石墨烯的性质与研究
摘要
石墨烯是碳原子以sp2杂化形成的六角晶格结构的二维材料，具有卓越的力学、热学、电学和光学等性质，有望应用在高迁移率晶体管、高灵敏度传感器、触摸面板、蓄电池等多种新一代器件等领域。由于不同层数的石墨烯具有截然不同的性质，又以单层和双层石墨烯的差别最大，本文对此阐述和比较，希望能够推进石墨烯的应用化进程。
关键词：石墨烯，单层石墨烯，双层石墨烯
Abstract
In 2004，d-will graphite surfaces，stir the whole world. Now already in the past eight years，the research of graphite surfaces heat still don't reduce. Graphite surfaces is made from carbon atoms two-dimensional crystal，general thickness direction for single or double atomic layer atomic layer carbon atoms are arranged.，the more concrete is Graphene (graphite surfaces) carbon atoms heterozygous form to sp2 hex lattice structure of 2 d materials. Since the discovery，has it in the mechanical，thermal，electricity，etc caused the great wave of research，in many aspects have made amazing results. Such as high-speed transistors，high sensitivity sensor，laser，touch face plate，storage battery and efficient battery and so on the many kinds of Yang can a new generation of devices core materials. This paper reviews the miao-yi graphite surfaces in the found and development，this paper discusses the nature of the single layer graphite surfaces，the prospect of graphite surfaces have may bring us more bright future.
Keywords: graphene; the nature of the single graphite surfaces; double graphite surfaces of nature
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目录
摘要 (1)
ABSTRACT (1)
目录 (2)
前言 (3)
1.GRAPHENE (3)
1.1石墨烯的结构 (3)
2.石墨烯的性质、研究与制备 (5)
2.1单层石墨烯的性质 (5)
2.2双层石墨烯的性质 (11)
2.3单双层石墨烯的性质比较 (14)
2.4 单双层石墨烯的制备 (19)
3.墨烯的应用与前景 (21)
3.1 石墨烯在材料方面的应用 (21)
结论 (24)
结束语 (24)
参考文献 (25)
致谢 (27)
3
单双层石墨烯的性质与研究
前言
关于石墨烯存在的可能性，科学界一直执有争论。早在1934年，Peierls就提出二维的晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在常温下会迅速分解或拆解。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理论，指出较大的波长涨落会使长程有序的二维晶格结构遭受破坏。因此，二维石墨烯晶体只是作为研究碳基材料的理论模型，一直未受到广泛关注。直到2004年，来自英国Manchester 大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov 首次成功分离出稳定的单层石墨烯，引起了科学界的浓厚兴趣。
由于独特的二维结构，石墨烯蕴含了丰富而新奇的力学、热学、光学和电学性质，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点之一，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。目前，科学界普遍看好的观点是石墨烯很可能会替代硅成为未来信息学的主流材料。
一、单层和双层石墨烯晶格结构
1.1 单层石墨烯的晶格结构
石墨烯是碳原子以sp2杂化形成六角蜂窝状晶格结构的平面材料，如图1所示。石墨烯仅有一个碳原子约3.5?的厚度，29万片的厚度，也只有一根头发丝那么厚。由碳原子以sp2杂化形成的平面六角晶格结构的石墨烯，不仅是研究其他维度碳基材料的理论计算和推导的基础，而且也是构成其他低维((如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)碳纳米异构体的母材料。将石墨烯弯曲成封闭的笼，可以形成零维的富勒烯；可以卷曲筒，密封形成一维圆柱形的碳纳米管，可以重叠堆砌形成片层结构形成石墨晶体，可以裁剪成石墨烯纳米带，如图2所示。
图1 石墨烯的晶格结构示意图。
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图2 石墨烯及碳基材料晶格结构示意图。
理想的石墨烯是平面六角型晶格结构，也可以说是石墨的单层结构，每个碳
原子与最近的三个碳原子以sp 2杂化形成三个σ键。由于σ键是自然界最为坚固的化学键，因此在平面内石墨烯具有最稳定和坚固的特征。碳原子中剩余p z 轨道形成π键，π键电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。
碳原子间相互围成的六角形平面蜂窝型结构，因而导致了在同一平面上只有
两种空间位置相异的原子，故而我石墨烯的晶胞是含有两种不等价的碳原子复式结构，如图3所示。
图3 石墨烯晶格结构中的不等价的A 原子和B 原子示意图。
当石墨烯的晶格中含有五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲，
富勒球可以
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便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的，实际中的石墨烯并不能有如此完美的晶形。
2 石墨烯的性质、研究与制备
2.1 单层石墨烯的性质
2.1.1 单层石墨烯的简述
自然界不存在自由状态的石墨烯片，在一般的自由状态下，它会卷曲成富勒烯、碳纳米管或堆叠成体相石墨。自石墨的层状结构被确定以后。近20多年来，零维的富勒烯，一维的碳纳米管(特别是单壁碳米管)的相继发现促使科学家们考虑：二维的理想石墨烯片层能自由存在吗?一般地说，随着物质厚度的减小，汽化温度也急剧减小，当厚度只有几十个分子层的时候，会变得不稳定。同时根据Mer．IIlin-wanger的理论，长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。因此过去科学家们一直认为严格的二维晶体具有热力学不稳定性，而且不可能存在【2】。1988年，日本东北大学京谷隆教授等在用蒙脱土做模板制备高度定向石墨的过程中，以丙烯腈为碳源，在蒙脱土二维层间得到了石墨烯片层，不过这种片层在脱除模板后不能单独存在，很快会形成高度取向的体相石墨[3]。2004年，Novoselov等第一次用机械剥离法(Mechanical cleavage)获得单层和2层一3层石墨烯片层l 6(图4)，而且可在外界环境中稳定地存在。2007年，Meyer等人报道单层石墨烯片层可以在真空中或空气中自南地附着在微型金支架上，这些片层只有一个碳原子层厚度(0.35 nm)，这一厚度仅为头发的20万分之一，但是它们却表现长程的晶序。TEM研究也表明，这些悬浮的石墨烯片层(图5)并不完全平整，它们表现出物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现几度的起伏。可能正是这些三维褶皱巧妙地促使二维晶体结构稳定存在。换言之，将二维膜放入三维空间会有一种产生褶皱的趋势，二维结构可以存在但是会产生一定的起伏。Fasolino等通过模拟发现，由于热起伏，褶皱会自发地产生而且能达到的最大厚度为0.8 nm，这与实验中的发现相一致。这种不同寻常的现象可能是由于碳键的多样性导致的。石墨烯片层上存在大量的悬键使得它处于动力学不稳定的状态，可能正是这样一种褶皱的存在，在石墨烯边缘的悬键可与其他的碳原子相结合，使其总体的能量得以降低。不过，对于褶皱的形成也有不同的观点。Ishigallli等
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人首次利用STM 展示了基于石墨烯制作的电子元件的原子结构和纳米级上的微观形貌(例如附着在绝缘的二氧化硅基质上的石墨烯片层)。原子级分辨率的STM 图片(6)显示石墨烯的存在形态受二氧化硅衬底形态制约，部分石墨烯片层与二氧化硅衬底作用产生褶皱，换言之，石墨烯并未自发地产生褶皱。基于这一点，科学家们正在考虑利用控制衬底材料的形态来控制石墨烯的褶皱，研究褶皱对电子传导的影响[5]。自由态的石墨烯在室温下于真空或空气中可稳定存在，这一成功震惊了科学界，从而推翻了历来被公认的“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的这一论述。在相同条件下，其他任何己知材料都会氧化或分解，甚至在相当于其单层厚度十倍时就变得不稳定。自由态的石墨烯是目前世界上人工制得的最薄物质，也是第一个真正的二维富勒烯。
图4石墨烯片层的AFMI 图片
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图5悬浮的石墨烯片层
图6硅表面的石墨烯片层
2.1.2 单层石墨烯的电子传导性
前面讲到石墨烯表现出很多奇特的特性，一些先驱性的文章发表之后，单层或者几层石墨烯的电子传导研究成为凝聚态物理研究的热点。图7所示为石墨烯的能带结构和布里渊区，价带和导带在费米能级的六个顶点上相交，从这个意义上说，石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性[11]。前已提及，在单层石墨烯中，每个碳原子都贡献出一个未成键的电子，这些电子可以在晶体中自由移动，赋予石墨烯非常好的导电性。石墨烯中电子的典型传导速率为8×105m/s，这虽然比光速慢很多，但是却比一般半导体中的电子传导速度大得多20。石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新的电子传导现象的产生，例如不规
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则量子霍尔效应。石墨烯的室温霍尔效应使原有的温度范围扩大了10倍，表明其独特的载流子特性和优异的电学质量。
图7加图名石墨烯的能带结构和布里渊区
绝热波恩—奥本海默近似（ABO)是早期量子力学用来描述电子与原子核相互作用的标准假设。ABO的基本假设是：在绝热情况下，原子核发生运动时电子能自动调整以适应核分布的变化。当基态和激发态的能隙大于原子核运动的能量时，ABO能很好地适用于这种情况。石墨烯是一种没有能隙的半导体，这种近似不适用于石墨烯。换言之，石墨烯是一种不遵守波恩一奥本海默近似的典型例子。在低温下，所有具有一定电阻率的物质都不可避免的表现出量子干涉磁阻，最后导致金属向绝缘体转化。这种现象被认为是普遍的，但在石墨烯中不具有这种现象。这种体系一个很重要的特点就是在0 K和零电荷密度的情况下具有特定的导电率，用Kubo和Landauer方程分析这种奇特的现象，表明这种稳定的导电率是二维结构中迪拉克手性费米子的特有性质【12】。在低温零磁场的情况，石墨烯的导电率存在一个最小值，这个值接近4 e2／h(e为电子电荷，h为Plank常数)。电子在石墨烯巾传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质。Tombms等人研究了在微米数量级下单层石墨烯中电子的自旋传导和拉莫尔旋进，并清楚地观察到两极的自旋信号，而且在4.2 K，77 K和室温下，自旋信号没有很大变化。计算表明在室温下自旋驰豫的长度在1.5 um和2 um之间，基本上不依赖于电流密度【13】。这个性质使石墨烯有可能用于高频晶体管(高至THz)。
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在凝聚态物理领域，薛定谔方程可以描述几乎所有材料的电子性质；但石墨烯是个例外，其电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更好[14]。在石墨烯巾形成的无质量狄拉克-费米子(Massless Dirac femions)，是一种准粒子，具有类似于光子的特性，因此可用于相对论量子力学的研究。
2.1.3 单层石墨烯的磁性
前面我们在讲到石墨烯的特性时，说到石墨烯具有导电性。它的导电机理不同于金属的导电机理：金属是金属阳离子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里，在中学我们学过金属是通过自由电子的定向移动来导电的。但金属键是不牢固的，它不比非金属元素所形成的共价键那样牢固。例如金属的延展性就是原子层发生平移的结果。所以，金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷，破坏了金属内的规则晶体结构，当电子经过这些由空穴或杂原子所形成的固有缺陷时，就容易发生散射等现象，降低了电子定向移动的速度，影响了导电性。而石墨烯的导电机理：由于石墨烯所有原子均参与了离域，所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共价单键的稳定性，石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换，保证了大π键的完整性，电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰，得以高速传导，因此石墨烯有着超强的导电性。从而在某些位置碳原子地缺失或被杂原子替换时就会产生相应的磁场，进而对外表现相应的磁性。这就使得这个世界上最薄、最强的材料具备了磁性，证明它具有潜力应用于电子设备。
2.1.4 单层石墨烯的超导性
富勒烯和碳纳米管具有很好的超导特性。C60的超导温度达到52 K，在此基础上通过掺杂，其超导温度可达到了102 K。单根碳纳米管大约在15 K时也可以显示出超导特性。石墨烯也具有超导性，并且可能比C60材料和杂化的材料，同时具有很多奇特的电学性质，是不是也会有这种超导特性呢?石墨烯内存在很强的电子声子耦合，这可以用量子电动力学来分析。在金属中出现电子与声子强烈作用的时候往往预示着超导现象的存在，同样，在石墨烯中的这种现象也可能预示超导现象的出现。Heersche等人用石墨烯连接两个超导电极，通过栅电极控
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制电流密度来研究约瑟夫森效应，观察到有超电流通过，而且即使在零电荷密度时，也同样有超电流。这说明，石墨烯也具有超导性，并且可能比C60材料和碳纳米管的超导性能更好，超导温度更高。
2.1.5 单层石墨烯的稳定性
石墨烯结构稳定：石墨烯中碳原子均由共价键相连，共价键的键能是相对比较高的，相对于分子间作用力、氢键、金属键等，共价键不易被破坏。由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键，其C-C键的强度要高于金刚石的单键，我们也可以从热力学的角度看到石墨的熔点为3850℃左右，金刚石的熔点仅为3550℃左右，不难发现，石墨比金刚石更加稳定。
2.1.6 单层石墨烯的机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。石墨烯之所以那么硬，是因为碳原子和绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的，就是说，石墨烯表面上立的或排列的都是原子核，如果外部物质与它撞击，撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上，所以，石墨烯表面显示的非常硬。
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10-20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1-1.5微米之间。之后，他们用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。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
2.1.7 单层石墨烯的电子的相互作用
利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯
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克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：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。科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用
2.1.8 单层石墨烯的透明性与不透明性
由于石墨烯是单薄片状态的，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，当几个石墨烯分子层叠加在一起时，由于碳原子核排列有序（就像检阅场上的方队那样），光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。
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。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。而这也是石墨烯中载荷子相对论。
2.2 双层石墨烯
2.2.1 双层石墨烯的简述
石墨烯，即具有六角晶格结构的二维碳原子单层，是近几年凝聚态物理中出现的一个十分热门的研究领域。在实验方面，物理学家们发现石墨烯系统具有极其高的电子迁移率，比目前广泛使用的半导体硅的电子迁移率还要高出两个数量级，因而被认为是下一代可以替代硅的新型半导体材料。在理论方面，石墨烯的载流子能谱是手征无质量的Dirac能谱，其能量线性正比于动量，这种类型的能谱在目前的物理系统中是比较罕见的，使得石墨烯系统具有许多与以往的系统截然不同的独特性质和现象，因此也引起了理论物理学家们的广泛关注。双层石墨烯，是由石墨烯派生的另一个重要的二维系统，它是两个单层石墨烯通过Bernal 堆积而成的。在低能有效理论中，双层石墨烯系统的载流子能谱是手征无质量的能谱，其能量正比于动量的二次方，与单层石墨烯和传统的二维电子气体系统既不尽相同又兼有两者的部分特性。这也是双层石墨烯在某种程度上可以看成是单
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层石墨烯和传统的二维电子气体系统的中介态的一个体现。类似单层石墨烯，双层石墨烯也具有非常高的电子迁移率。因为它在施加电场后很容易打开一个能隙而变成半导体，所以作为新型的超高速场效应晶体管材料而备受期待。我们知道，研究一个系统对外场的线性响应是一种非常重要的获知该系统内部特性的手段:一方面系统对外场的响应可以从理论上通过线性响应理论进行计算，另一方面这些响应又是实验上可以直接测量的物理量，因此它们作为一座桥梁沟通理论和实验，并从实验的结果检验理论的正确与否。在物理实验中，最常见、最重要的线性响应就是它对外加电场的电响应和对外加磁场的磁响应，它们就是该系统的密度-密度响应和流-流响应函数。因此，研究一个系统的电和磁响应，对我们了解系统的基本性质具有十分重要的意义。
2.2.2 双层石墨烯的电学性质
在研究石墨烯的拉曼光谱研究中，我们发现在低能电子谱中，石墨烯的电子现出强烈的的各向异性，这是因为石墨烯中的准粒子与金属中的大不相同，其中具有类似于高能物理中粒子与反粒子之间的手性对称性。
2.2.3 双层石墨烯的狄拉克点附近的能带结构信息
拉曼模式与电子激发间的相互作用为通过测量低频拉曼信号来探测相应的低能电子激发提供了一种非常有效方法。低频拉曼模式通常是利用三光栅拉曼光谱仪来测量的，但其非常低的光学透过率使它很难被用来研究象多层石墨烯和体石墨所具有的这类强度极弱的低频拉曼模。最新发展的布拉格体光栅技术集成到单光栅拉曼光谱仪上，使其能测到低至5cm-1的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号。单光栅光谱仪非常高的光学信号透过率使得该课题组能探测从双层石墨烯、多层石墨烯到体石墨的强度极弱的低频剪切模，剪切模的峰位从体石墨的43cm-1 变到双层石墨烯的31cm-1。由于石墨烯剪切模的频率很低，声子能量只有5meV，远小于石墨烯G模0.2eV的声子能量，因此剪切模可以和石墨烯狄拉克点附近的低能电子激发发生显著的相互作用，使得多层石墨烯的剪切模显示出Fano线型。但随着石墨烯层数的越少，因吸附空气分子和与衬底之间的电荷转移所导致的掺杂效应越显著，使得该Fano共振的耦合效应越来越弱，以至于双层石墨烯剪切模的线型很接近洛伦兹线型。
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单双层石墨烯的性质与研究
2.2.4 双层石墨烯的电极化率
双层石墨烯的电极化率随温度的变化行为:发现对于任意的温度，极化率的大小在零动量转移时都等于态密度，但在大动量转移时则增大一个因子log4，在动量为k_F附近则表现出非单调的温度相关行为。由于强的2k_F散射所导致的静态极化率的尖峰将随着温度的提升而被抹平。在所有的动量区域，静态极化率都表现出很弱的温度相关性，这体现了双层石墨烯独特的电子特性。同样在高载流子密度的情况下，低温和高温极限下双层石墨烯的电导率的渐近行为，并发现随着温度的提升，双层石墨烯从一个类似二维电子气体的随温度线性变化的金属行为逐渐过渡到一个类似单层石墨烯的随温度平方变化的绝缘体行为。我们认为这是双层石墨烯作为单层石墨烯和二维电子气体的中间态所特有的一种过渡行为。
2.2.5 双层石墨烯表面的尺寸效应
当颗粒的尺寸进入纳米尺度后，纳米材料所具有的宏观块材所不具备奇异或反常的物理、化学特性，一般称为小尺寸效应。半导体量子点随尺寸的变化而呈现出不同的颜色就是一个典型的特列。目前精确地确定量子点中每个组分原子的位置还是十分困难的，所以还不能定量的建立量子点中结构与性质的关系如何。近几年来，人们发现，某些金属二维膜可以精确的控制其厚度，精度可以达到单原子层。并在这些形貌精确可控的膜中发现一系列的性质，如超导温度、表面的化学反应特性随单原子层厚度变化出现振荡现象。由于这些金属膜只能在极低温度下稳定存在，大大限制了其广泛应用的前景。
石墨烯是2004年实验证实可以在室温以上稳定存在的单原子层厚度的二维理想材料，层与层之间以较弱的范德瓦尔斯力结合。一般认为这种较弱的力对其性质的影响不会很大，但是实验惊讶的发现：单层与双层石墨烯之间量子霍尔平台填充因子不同，呈现出奇异量子霍尔效应想象。我们还以通过实验得知随着其厚度（层数）变化，不同层数的石墨烯表面扩散系数及扩散势垒与层数密切相关，并计算出扩散势垒以及与层数的关系。而扩散势垒不同的原因可以归因于量子尺寸效应。
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2.3 单双层石墨烯的性质比较
2.3.1 单层石墨烯能带结构的计算[]3
石墨烯是一种单层碳原子的二维晶体，并由碳原子的2s 、2p x 、2p y 轨道形成轨道杂化。杂化过程中，每个碳原子与紧邻的三个碳原子形成相互夹角2π/3的3个σ键 ,剩余2p z 轨道电子与近邻原子相互作用形成贯穿于整个石墨层的离域π键。由于位于平面内的σ键的三个电子不参与导电，故计算石墨烯能带结构时只需考虑位于π键上的那个电子即可。
图8石墨烯的晶格结构及相应倒空间和布里源区 下面，我们将采用紧束缚近似计算的方法来计算石墨烯的能带。我们都知道，紧束缚近似计算是以量子力学中的微扰理论为出发点的，即是当电子在一个原子附近时，将主要受到该原子势场的作用，而把其他原子的作用当做微扰项处理的一种计算方法。对于石墨烯而言，我们很容易知道，每个石墨烯原胞中都含有两个不同的碳原子，如图8所示。其中实心点与空心点分别代表不同的碳原子，设为A 、B ，取基矢为
j a i a a 23231+=
(1)
单双层石墨烯的性质与研究
j a i a a 23232-= (2)
那么对应石墨烯晶格K 空间的倒格子基矢为：
j a i a b 332321ππ+= (3) 由此，可以计算出石墨烯倒空间中第一布里渊区六个顶点的坐标位置，分别为（a a 932,32ππ），（a a
932,32ππ-)，(a 934,0π)，(a 934,0π-)，(a a 932,32ππ-)，(a a 932,32ππ--
)。与晶格相对应的，倒空间的每个原胞中也含有两个不等价的点，即为图2右侧图示中的K 和'
K 点。
石墨烯晶格结构中每个碳原子A 与三个碳原子B 紧邻，它们之间的连接矢量可表示为： j a i a
2321+=δ (5)
j a i a 2321-=δ (6)
i a
-=1δ (7)
现在，我们选取一组紧束缚态下的归一化基矢{21,??}，其中
)
(11A j A j R r j R k i e
N -?∑=
φ? (8)
)
(21B j B j R r R k i j e N -?∑=
φ? (9)
其中，N 为晶体中的原胞总数，)
()(,B j A j R r R r --φφ分别表示A ，B 两碳原
子的束缚态本征函数，21a m a n R j +=表示第j 个原胞的位矢。紧束缚近似下，
可以用原子轨道线性组合的方法来求出石墨烯体系的波函数，即为
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其中，21c c 和为线性组合系数，是常数。
又由于系统满足薛定谔方程ψψE H =，从而有
22112211????c c E c c H +=+ (11) 给方程式两端左乘*1?，得??
????+=+=-?-?∑∑)(2)(12211)(1B j B j A j A j R r j R k i R r j R k i r e c e c N c c φφ??ψ 2211122111??????c c E c c H +=+ (12) 展开：
[]212111212111????????c c E H c H c +=+ (13) 化简，解得
1122111Ec H c H c =+ (14)
同理给方程(12)式两端同时左乘*2?，经计算化简解得，
2222211Ec H c H c =+ (15)
其中，*1221H H =，21c c 和为(14)、(15)两方程组成的线性方程组的解，且为
实数。
由线性代数理论的相关知识知，1c 、2c 有非零实数解的条件是由方程组中系数项组成的久期方程值为零，即
022211211=--E H H H E H (16)
()()02122211=---H E H E H (17)
()[]
??????+-±+=21212222112211421H H H H H E (18) 该式即为紧束缚近似计算下的石墨烯的能带表达式，其中，11H 、22H 、12H 均为微扰下的能量修正相关项。
应用量子力学中的相关计算方法对其进行求解，具体计算过程如下：
1111??H H =
=)()(11
A j A j A j A j R r j R k i R r j R k i e N H e N -?-?∑∑φφ=z P ε (19）
单双层石墨烯的性质与研究
=2222??H H =)()(11B j B j B j B j R r j R k i R r j R k i e N
H e
N -?-?∑∑??=z P ε(20) 21*2112??H H H ===∑∑-?-?j R r R k i j R r R k i B j B j A j A j e
N H e
N )()(11 φφ
)()()(1B j A j A j B j R r R r j R R k i H e N ---?∑=φφ (21)
若果仅仅考虑最近邻原子相互作用的情形，对于石墨烯晶格结构中的每个碳原子来
说，它只有三个最近邻的碳原子，位置矢量分别为1δ，2δ，3δ。
现将式(5),(6)，(7)带入(21)式，有
)()(k k k 12)(321R r R r i i i H e e e H A j
--???++=φφδδδ =)()()2(y )23(cosk 2A j B j x x R r R r a k i a k i H e a e
--?-?-???????+φφ t k )(ε=
(22) 其中???????+=--)2()()23(cos 2a k i y a k i k x x e a k e ε
，)()(B j A j R r R r H t --=φφ。
将(19)、(20)、(21)三式代入(18)中有：
)23c o s ()23c o s (4)3c o s (23a k a k a k t E y x y P z ++±=ε (23)
令0=z P ε，则石墨烯的能量本征值表达式为：
)
23cos()23cos(4)3cos(23a k a k a k t E y x y ++±= (24) 上式中的正负号分别对应导带和价带，y x k k 和是倒格矢k 在),(y x 的分量。 根据石墨烯的能量本征值表达式为，利用MATLAB 程序可画出石墨烯的能带结构图[9]，如图9所示。
从该能带结构图上可以看出，石墨烯的能带在E=0的六个点上连续，这六个点就是石墨烯第一布里渊区的六个顶点，这些点亦被称为Dirac 点，这也就是说，石墨烯的能带相交于石墨烯第一步里渊区的六个顶点处。由于石墨烯中每个碳原子都贡献一个π电子，因此石墨烯的价带正好填满，而倒带全空，这样费米
咸阳师范学院2012届毕业生论文（设计）
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面正好可以处在倒带与价带相交的顶点处，由此可知石墨烯是带隙为零的半导体。
另外也很容易通过该图看出石墨烯的能带结构具有一定的对称性。
图9石墨烯的能带结构图
2.4单双层石墨烯的制备
近年来很多学者都在致力于探索单层石墨烯的制备方法，特别是制备较大量具有稳定结构石墨烯的途径，以便系统地研究这种新型材料的物化性质和可能的应用。但到日前为止，石墨烯的制备依然没有得到根本性的突破，制备主要有以下两种：机械剥离法和加热SiC 法。
1机械剥离法
这种方法是通过机械力从新鲜石墨晶体的表面这种方法是通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。典型的制备方法是：用另外一种材料与膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中往往含有单层的石墨烯。Novoselov 运用这一简单而有效的方法，首次制备出，并第一次确认其独立存在。运用这种方法，目前获得的石墨烯尺度可以达到100 um 左右[4]。
除了上述方法外，学者们也成功运用其他手段，利用机械力使单层石墨烯片层从体相石墨中分离出来。Bunch 等人将天然石墨絮片在二氯苯溶液巾超声处理约5 min ，然后取一滴溶液滴在表面附着厚度为200 nm 的氧化膜的硅晶片上。最
单双层石墨烯的性质与研究
后，用异丙醇洗涤硅晶片，并在氮气rfl晾干，这样分散得到的石墨片层的厚范同在几百纳米到几纳米之间，可以看到由单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜【6】。另外，从高定向热解石墨中苇取的石墨样品在用A刚测试时，通过微调法向力和悬臂的扫描速度，可以将基底上的石墨样品的厚度切割到10 nm～100 范围内，从中也可以得到单层的石墨烯【7】。
2 加热SiC法【8，9】
该法是通过加热单晶6H．SiC脱除si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1 250℃～l 450℃后恒温l min～20 min，从而形成极薄的石墨层，层的厚度主要由加热温度决定。经过几年的探索，Beger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。据Nature Materials编辑的按语预测，这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一【10】。
3化学气相沉积法
化学气相沉积法是半导体工业中最为常用的沉积技术。其原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔里进行化学反应，生成一种新的物质沉积在衬底表面。中科院化学研究所发明了一种方法。将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底温度达到500～1200℃，向所属反应容器充入含碳物质，得到石墨烯。催化剂为金属或金属化合物。可为金、银、铜、锌、铁、钴、镍、硫化锌、氧化锌、硝酸铁、氯化铁、氯化铜中的一种或任意组合。含碳物质可为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷或酞菁中的一种或任意组合。【12】
韩国成均馆大学的洪秉熙领导的一个研究组生产出了高纯度石墨烯薄膜，把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成一个透明电极。这种电极可以取代显示器上现在所使用的透明电极，价格却比现在通常用的氧化铟便宜的多。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，制备出图形化的石墨烯薄膜。【13】Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的花瓣状的石墨片，也有一些其他的科学家利用类似方法制造出了石墨烯。【2,11】
石墨烯基本特性
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
石墨烯介绍
1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半
导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。
氧化石墨烯薄膜的光电化学性质
2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.360docs.net/doc/8218356555.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试
2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图
2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。
石墨的物理和化学性能
石墨：：是碳的一种同素异形体，是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域的π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力小，质软并有滑腻感。灰黑，不透明固体，密度2.25g/cm3，熔点3652℃，沸点4827℃，硬度1。化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应。687℃在氧气中燃烧生成二氧化碳。可被强氧化剂如浓硝酸、高锰酸钾等氧化。可用作抗磨剂、润滑剂，高纯度石墨用作原子反应堆中的中子减速剂，还可用于制造坩埚、电极、电刷、干电池、石墨纤维、换热器、冷却器、电弧炉、弧光灯、铅笔的笔芯等。 物理性质: 不溶于水和有机溶剂；是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40Å，同一网层中碳原子的间距为1．42Å。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。 化学性质: 常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于稀酸、稀碱;不同高温下与氧反应燃烧，生成二氧化碳或一氧化碳；在卤素中只有氟能与单质碳直接反应；在加热下，单质碳较易被酸氧化；在高温下，碳还能与许多金属反应，生成金属碳化物。碳具有还原性，在高温下可以冶炼金属。 石墨有分层。同一层有很多个六面体组成，不同层由另一种非共价键组成所以石墨也稳定，因为同一横面很稳定。但石墨很滑，因为它的纵面很不稳。 石墨是一种“层状结构”的“过渡型晶体”：层内碳原子以共价键结合形成正六边形网状结构，层与层之间距离较大，相当于分子间力的作用.石墨附着力很强，并且有导电性。
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有
相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
石墨烯文献检索
《文献检索与科技论文写作》作业 学生姓名 年级专业 班级学号 指导教师职称
目录 第一部分文献查阅练习 (1) 第二部分文献总结练习 (7) 第三部分科技论文图表练习 (8) 第四部分心得体会 (11)
第一部分文献查阅练习 1、黄毅，陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用.中国科学B辑:化学2009年第39卷第9期:887-896 摘要：石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质.过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点.在石墨烯的研究和应用中，为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性(如分散性和溶解性等)，必须对石墨烯进行功能化，研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作.但是，关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段，对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识.如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战.本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展，并对功能化石墨烯的应用作了介绍，最后对相关领域的发展趋势作了展望. 关键词：功能化应用 2、胡耀娟,金娟.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用. 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)Acta Phys.-Chim.Sin.,2010,26(8)：2073-2086 摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质.有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一.本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词：制备功能化应用. 3、杨永岗,陈成猛,温月芳.新型炭材料.第23卷第3期 2008年9月：193-200 摘要：石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体,也是性能优异的新型纳米复合填料。近三年来,石墨烯从概念上的二维材料变成现实材料,在化学和物理学界均引起轰动。通过述评氧化石墨及氧化石墨烯的制备、结构、改性及其与聚合物的复合,展望了石墨烯及其复合
单层氧化石墨烯性能参数
单层氧化石墨烯性能参数 单层氧化石墨烯性能参数，这是很多人想知道的知识。氧化石墨烯是一种性能很好的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团，应用范围很广，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。下面就由先丰纳米简单的介绍单层氧化石墨烯性能参数。 1、性能 （1）含有丰富的羟基、羧基和环氧基等含氧官能团； （2）易于接枝改性，可与复合材料进行原位复合，从而赋予复合材料导电、导热、增强、阻燃、抗菌抑菌等性能； （3）易于剥离成稳定的氧化石墨烯分散液，易于成膜。 2、用途 应用于橡胶、塑料、树脂、纤维等高分子复合材料领域，还可以应用于锂电正负极材料的复合、石墨烯导热膜、催化剂负载。 3、操作处置与储存 操作人员需穿戴合适的防护服及防护手套；避免与皮肤直接接触，进入眼睛，应立即用大量清水冲洗。产品需密闭贮存于阴凉、通风及干燥的环境，在20℃的环境中贮存效果更佳。远离火种、热源，应与强还原剂、易燃物分开存放。
4、运输 非限制性货物，运输中应注意安全，防止日晒、雨淋、渗漏和标签脱落，严禁抛掷， 轻装轻卸，远离热源，隔绝火源。 如果想要了解更多关于单层氧化石墨烯的内容，欢迎立即咨询先丰纳米。 先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳 米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜 完整生产线。 自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过 一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现 专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及 技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米 材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线，2017年年产高品质石墨烯粉末50吨，石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导！欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看。
浅谈石墨烯的发展与应用
浅谈石墨烯的发展与应用 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。 一、Graphene的结构 Graphene是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接，由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。 在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子光谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。对于三及三以上数目的薄层，光谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 二、Graphene的性质 虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公
石墨烯在光电子器件中的应用
石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在
石墨烯的特殊性能
石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，
石墨烯的表面性质及其分析测试技术
Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57 Published Online May 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/8218356555.html,/journal/japc https://www.360docs.net/doc/8218356555.html,/10.12677/japc.2016.52006 Progress in Surface Properties and the Surface Testing of Graphene Jinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu1 1School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, Shanghai Received: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/8218356555.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Graphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion. Keywords Surface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene 石墨烯的表面性质及其分析测试技术 戴进峰1*，王国建1,2，吴承恳1 1同济大学材料科学与工程学院，上海 *通讯作者。
石墨烯以及导热性质的介绍
石墨烯以及导热性质的有关介绍 石墨烯( Graphene)又叫单层石墨，是构造其他石墨材料的最基本的材料单元。石墨稀是由sp2碳原子以蜂窝状晶格构成的二维单原子层结构。每个碳原子周围有３个碳原子成键，键角120°；每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键。在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 根据有关资料的显示，对石墨烯晶格振动的研究可利用价力场方法。在价力场方法中，石墨烯内所有原子间的相互作用力可以分为键的伸缩力和键的弯曲力。从经典的热学理论出发，对石墨烯的导热系数进行研究。 一、以下是石墨烯薄片的热通量有关的表达式:
上面理论计算的导热系数主要由石墨烯的声子频率、声子的支数和声子的作用过程等决定。从得出的结果出可以得出以下的图表： 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。 二、石墨烯的导热系数经验公式 式中 Xg 是温度系数，L 是单层石墨烯的中间部分与散热片之间的距离，h 是单层石墨烯厚度，d 为单层石墨烯的宽度，δf 是G 峰位移，δP 是样品的热功率的变化。从经验公式可以看出，石墨烯的导热系不同宽度的石墨烯薄 片的导热系数与温度 的关系
石墨烯的性能与应用
ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 《材料物理》期末论文 石墨烯的性能及应用 学院名称：数理学院 专业班级：应用物理学11-1班 学生姓名：邢俊俊 学号： 201111020026 2014年6月
石墨烯的性能及应用 摘要：石墨烯其貌不扬，其微片看上去就好像是棉花一样的黑色絮状物，可它为什么如此受追捧？答案其实并不复杂。因为它太轻薄了，只有一个原子厚度，却又非常坚硬。除此之外，它还拥有优秀的导热性、极低的电阻率。在轻薄坚固的同时，它还几乎是完全透明的。这些特性让研究者们能够创造出无限的可能性，无怪乎石墨烯横空出世之时业界震惊。 关键词：石墨烯、新材料、物质、科技 Abstract:Graphene does not seem good, its microchip looks like black cotton floc, but why it can be so popular these days? The answer is not complicated. Because it is so thin and only has one atom thick, it is very hard, however. In addition, it has excellent thermal conductivity and low resistivity. It is in strong light while almost completely transparent. These features allow the researchers are able to create infinite possibilities, no wonder when the industry turned out of graphene shocked. Key words: Graphene, new materials, substances, Technology 1、前言： 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆(Andre Geim)和康斯坦丁?诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸
石墨烯的性质、应用及合成
石墨烯的性质、应用及合成 摘要：自2004年Geim教授和Novoselov教授在实验室用胶带剥离出石墨烯后，其令人惊叹的性质激发了人们对这一材料的强烈兴趣，Geim教授和Novoselov 教授也因他们“对二维材料石墨烯的开拓性研究”而获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯由六方蜂巢晶格排列的碳原子组成，仅有一个原子层厚。下面我将简单介绍一下石墨烯的性质、应用及合成。 关键字：石墨烯性质应用合成 石墨烯的性质 对于石墨烯的性质，在此简单介绍一下石墨烯的电学性质、光学性质、电子自旋性质、力学性质和热学性质。 石墨烯的电学性质引起了科技工作者的广泛兴趣，通过简单的最近邻紧束缚计算可以得到较近似的单层石墨烯的能带结构。其能带结构揭示了单层石墨烯的三个吸引人的电学性质：狄拉克点处的载流子密度为零，伪自旋现象和载流子的相对论特性。利用化学反应修饰石墨烯结构已有超过150年的历史，化学过程对石墨烯带来的有利的结构变化主要有两种：从块状石墨剥离得到石墨烯片层，或者进行层间插层。当考虑石墨烯和石墨中的电子自旋时，需要考虑两种类型的自旋，即与缺陷相关的静态自旋和传导电子自旋。在石墨烯中，碳原子采用共价的三重键和方式，即sp2杂化。我们都知道决定键强度的一个重要因素是原子轨道间的重叠度，杂化体系的一个很关键的优势在于，根据最大重叠定律进行的键合会十分牢固，化学键的强度对于一个材料的物理和力学性能十分重要，如熔点、相变的活化能、拉伸和抗剪强度等。实际上，在石墨烯中sp2杂化碳采用的是最强的C-C化学键，考虑到三重键和的C-C键是最强的化学键，所以不难推测石墨烯具有良好的力学性能。碳材料具有多种性质差异显著的同素异形体，不同同素异形体的热导率横跨5个数量级，最高的为金刚石和石墨烯，（2000W/mK），最低的为无定形碳（0.01W/mK），尽管石墨烯为二维晶体材料，和金刚石不太一样，但在很多前沿领域也表现出了优良的热操控性能。 石墨烯的应用 对于石墨烯的应用，我主要讲述一下石墨烯电子器件、石墨烯复合材料以及石墨烯储能器件。 自2004年Geim教授和Novoselov教授在实验室用胶带剥离方法制备出石墨烯，并且制备出石墨烯器件之后，石墨烯在各种电子器件的应用方面取得了很大的进展。石墨烯独特且优异的载流子输运特性使得石墨烯有望成为下一代集成电路的基础材料。石墨烯具有很高的机械强度，这也使得石墨烯适用于微机电系统和纳机电系统器件的制造；石墨烯还具有良好的透光性和导电性，又使其适用于光电器件透明电极。石墨烯高的导电率和特殊的能带结构，使其特别适用于场效应晶体管方面，也已经制备出了石墨烯场效应晶体管（GFET）。石墨烯良好的导电性能、透光性能及化学稳定性使其与传统的透明电极材料氧化铟锡（ITO）相比更具有优势，而且石墨烯在整个光谱上光透过率维持着统一的分布。例如，2010年6月，韩国SKKU和三星联合报道了在铜箔上生长30英寸单层石墨烯，他们所制备的单层石墨烯面电阻为125Ω/sq，透过率高达97.4%，这一性能已经超过了ITO，在触控显示屏以及柔性电子器件领域具有非常好的应用前景。石墨烯具有高迁移率、高透光率了、高稳定性、可功能化及其他优异的电学特性，这使其不
石墨烯简介
石墨烯简介 摘要：在碳材料中，石墨烯具有特殊的单层窝蜂状结构，由于特殊的分子结构，使得石墨烯具有优良的化学和物理性质，例如：超高的比表面积超高的比表面积(2630m2／g)，导电性能(电导率106S／m)，机械性能(杨氏模量有1TPa)等，在高科技领域中展现了巨大的潜力。同时，石墨烯在能源、生物技术、航天航空等领域都展现出宽广的应用前景。但是由于石墨烯片层之间存在范德华力，促使分子层之间易发生团聚，不利于石墨烯的分散，导致电阻率升高和片层厚度增加，无法大规模高质量的制备石墨烯。本文主要介绍石墨烯的结构，性质，制备方法，以及石墨烯在现阶段的应用。 关键词：石墨烯结构性质制备应用 目录 第一部分：石墨烯的结构 第二部分：石墨烯的性质 第三部分：石墨烯的制备方法 第四部分：石墨烯的应用及其前景第五部分：结语
第一部分：石墨烯的结构 严格意义上的石墨烯原子排列与单层石墨的相同，厚度仅有一个原子尺寸，即0．335nm，因此又被称为目前世界上已知的最薄的材料，每个碳原子附近有三个碳原子连接成键，碳．碳键长0.142nm，通过sp2杂化与邻近的三个碳原子成键形成正六边形，连接十分牢固，因此可是称为最坚硬的材料。然后每个正六边形在二维结构平面，不断无限延伸形成了一个巨大的平面多环芳烃[1]，如图1-1所示。2007年，Meryer[2]根据自己的研究发现大多数的石墨烯片层呈现单原子厚度，同时表现出有序的结构，通过透射电镜发现，该片层并非完全平整，表现出粗糙的起伏。也正因为这种褶皱的存在，才使得二维晶体结构能够存在。 图1-1石墨烯的结构构型 第二部分：石墨烯的性质 石墨烯在力学、电学、光学、热学等方面具有优异特性。 力学特性石墨烯中，碳原子之间的连接处于非常柔韧的状态．当被施加外部机械 力时，碳原子面会弯曲变形．碳原子不必重新排列来适应外力，因此保持了结构稳定。石墨烯是人类已知强度最高的材料，比世界上强度最高的钢铁高100多倍。 电学特性石墨烯具有超高的电子迁移率，它的导电性远高于目前任何高温超导材 料。曼彻斯特大学的研究小组在室温下测量了单层石墨烯分子的电子迁移率，发现即使在含有杂质的石墨烯中，电荷的迁移率仍可达10000cm2/(v·s)。2008年，海姆研究小组又证明．电子在石墨烯中的迁移率可以达到前所未有的 200000cm2/(v·s)。不久之后，哥伦比亚大学的博洛京(K．Bolotin)将这个数值再次提高到250 000cm2/(v·s)。而目前晶体管的主要材料——单晶硅的电子迁移率只有1400cm2/(v·s)，高纯度石墨烯的电子迁移率超过单晶硅150倍以上。此外，石墨烯的电子迁移率几乎不随温度变化而变化。 光学特性石墨烯几乎是完全透明的，只吸收大约2．3％的可见光，光透率高达97．7％。石墨烯层的光吸收与层数成比例．数层石墨烯(FLG)样品中的每一层都可以看做二维电子气，受临近层的扰动极小，其在光学上等效为几乎互不作用的单层石墨烯(SLG)的叠加。单层石墨烯在300～2500纳米间的吸收谱平坦，在紫