【CN209981235U】一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920472001.4
(22)申请日 2019.04.09
(73)专利权人 深圳激子科技有限公司
地址 518067 广东省深圳市南山区南山街
道东滨路永新时代广场2号楼5层5241
室
(72)发明人 鲍小志 马玮良 欧清东
(74)专利代理机构 北京轻创知识产权代理有限
公司 11212
代理人 谈杰
(51)Int.Cl.
H01L 31/0264(2006.01)
H01L 31/09(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光
探测器
(57)摘要
一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光
探测器，属于中红外光探测技术领域。本实用新
型包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化
硅层、石墨烯层以及覆盖在石墨烯层上的三氧化
钼微纳结构阵列；三氧化钼微纳结构阵列与石墨
烯层形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层边
缘上方设置有电极，电极延伸到三氧化钼微纳结
构阵列与石墨烯层重叠区域。为解决上述技术问
题，本实用新型实现了在中红外波段具有大幅提
升的光电转换效率，制备方法简单，而且成本低
的目的。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 209981235 U 2020.01.21
C N 209981235
U
权 利 要 求 书1/1页CN 209981235 U
1.一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于包括自下而上依次层叠设置的硅衬底（1）、二氧化硅层（2）、石墨烯层（3）以及覆盖在石墨烯层（3）上的三氧化钼微纳结构阵列（4）；三氧化钼微纳结构阵列（4）与石墨烯层（3）形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层边缘上方设置有电极（5），电极（5）延伸到三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层重叠区域。
2.根据权利要求1所述的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于上述硅衬底（1）上朝向二氧化硅层（2）的一侧涂覆有作为背栅的金属层。
3.根据权利要求1所述的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于上述电极（5）是一种蝴蝶形天线电极，由金、钛、铬、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合构成。
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石墨烯及其复合材料在水处理中的研究
石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 摘要：石墨烯作为一种新型碳纳米材料，具有巨大的比表面积、较高的机械强度和稳定的化学性质等优点，在诸多领域有广泛的应用。石墨烯因具有巨大的比表面积和高的反应活性，作为一种优异的吸附材料在水处理方向具有较好的应用前景。本文概述了石墨烯及其复合材料在水处理方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属离子和有机污染物质的吸附效果好，吸附容量高。最后对其在水处理中的应用前景做了展望。关键词：石墨烯；复合材料；吸附；水处理 引言 石墨烯（graphene，GN）自2004年发现以来,由于具有独特的结构与性能，很快成为新材料研究领域的热点。石墨烯是一种sp2杂化的碳原子以六边形排列的周期性蜂窝状二维碳质新材料[1]。石墨烯具有独特的物理化学性质[2]，除强度较高外，其理论比表面积竟高达2630m2/g，孔隙结构较丰富，这一点使其成为良好吸附材料的基础[3]。除此之外，还具有良好热导率和电导率[4]～[5]，可在传感器、电极材料、储氢材料等应用[6]。 石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、稳定的化学特性、巨大的比表面积等优点；石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，吸附能力更强。从而应用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料和过滤材料等，可以有效吸附水中的多种污染物。同时，由于制造石墨烯的石墨来源比较广泛，且石墨烯相比碳纳米管价格比较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯在水处理中的应用[7]～[8]。 本文介绍了石墨烯与水处理相关的主要性能，综述了石墨烯及其复合材料在水处理中的研究进展，并对当今石墨烯材料在水处理研究中遇到的挑战和问题做了进一步分析，对今后这一领域的研究作了展望。 1石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 1.1石墨烯 石墨烯因其吸附原理简单、费用低及处理效果好等优点广泛应用在水环境治理中。巨大的比表面积使石墨烯成为良好的吸附材料。作为吸附剂在水处中的相关研究主要集中在吸附两类污染物：有机物与无机阴离子[9]。水中的有机污染物易与石墨烯表面发生相互作用，形成稳定的复合物，进一步得到去除。因而许多学者主要研究了石墨烯吸附去除水中的有机染料。 Liu 等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、接触时间和浓度下对亚甲基蓝的吸附，研究发现石墨烯最大吸附量高达到153.85mg/g，吸附等温线符合Langmu模型[10]。Wu 等人研究了石墨烯对丙烯腈、甲苯磺酸及甲基蓝的吸附，与其他碳纳米材料相比，石墨烯表现出较强的吸附能力，甲基蓝因为有苯环和大分子，从而使石墨烯的吸附速度更快，吸附容量更大[11]。Li等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、反应时间下对氟化物的吸附性能，结果发现在298K下,当氟化物的初始浓度为25mg/L时,石墨烯的吸附量可达17.65 mg/g[12]。石墨烯对无机污染物的吸附研究使其在水处理领域的研究进一步扩大。
关于石墨烯电池的调研报告范文
关于石墨烯电池的调研报告 0引言 《世界报》的一则关于西班牙Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池的消息，引起了世界各地的转发与评论，该消息称石墨烯聚合材料电池能够提给电动车1000公里的续航能力，而其充电时间不到8分钟。为调查此消息的真实性与石墨烯聚合材料电池的可行性，于是检索、收集了大量的资料，并总结做出了自己的调查结果。 1石墨烯简介 石墨烯（Graphene ）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維材料。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?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，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」为由，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，只吸收2.3%的光；导热系数高达K m W ?/5300，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过s V cm ?/215000，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约m ?Ω-810，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 特斯拉CEO 马斯克近目在接受英国汽车杂志采访时表示，正在研究高性能电池，特斯拉电动车的续行里程很快将能达到800公里，比目前增长近70％。其表示，特斯拉始终致力于打造纯电动汽车，将继续革新电池技术，不考虑造混合动力车。特斯拉Model3电动汽车的续行里程有望达N320公里，售价约为3.5万美元。[]《功能材料信息》 2014年第11卷第4期 56-56页据悉，石墨烯兼具高强度、高导电性、柔韧性等优点，应用于锂电池负极材料后，可大幅度提高其电容量和大倍率充放电性能 ，或成特斯拉电池的理想材料。 特斯拉研究高能电池石墨烯或为理想材料 这项新技术的核心在于，新型多孔石墨烯材料含有巨大的内部表面区域，因此能实现在极短时间内充电。所充电能量与普通锂电池的电能量相当。更重要的是，石墨烯电池电极在经过1万次充放电之后。能量密度并未出现明显损失。 这种多孔石墨烯材料的超级电容，还可以为电动车节省大量的能量"如今，电动车的电能浪费现象仍旧普遍存在" 1新闻方面 首先，我从网上搜索了相关的新闻，包括ZOL 新闻中心科技频道的“石墨烯电池或将引领改革：充电10分钟跑1000公里”说道“这项突破性研究，为人类认知石墨烯等材料特性带来全新发现，并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的进步”；21世纪经济报道的“中国2015年量产石墨烯锂电池或颠覆电动车行业”说道“2014年12月初，西方媒体报
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。
石墨烯及其复合材料在水处理中的研
石墨烯及其复合材料在水处理中的研 石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 摘要：石墨烯作为一种新型碳纳米材料，具有巨大的比表面积、较高的机械强度和稳定的化学性质等优点，在诸多领域有广泛的应用。石墨烯因具有巨大的比表面积和高的反应活性，作为一种优异的吸附材料在水处理方向具有较好的应用前景。本文概述了石墨烯及其复合材料在水处理方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属离子和有机污染物质的吸附效果好，吸附容量高。最后对其在水处理中的应用前景做了展望。关键词：石墨烯；复合材料；吸附；水处理 引言 石墨烯（ graphene， GN ）自 2004 年发现以来 ,由于具有独特的结构与性能，很快成为新材料研究领域的热点。石墨烯是一种 sp2 杂化的碳原子以六边形排列的周期性蜂窝状二维碳质新材料 [1] 。石墨烯具有独特的物理化学性质 [2] ，除强度较高外，其理论比表面积竟高达2630m2/g,孔隙结构较丰富，这一点使其成为良好吸附材料的基础[3]。除此之外，还 具有良好热导率和电导率[4]?[5],可在传感器、电极材料、储氢材料等应用⑹。 石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、稳定的化学特性、巨大的比表面积等优点；石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，吸附能力更强。从而应用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料和过滤材料等，可以有效吸附水中的多种污染物。同时，由于制造石墨烯的石墨来源比较广泛，且石墨烯相比碳纳米管价格比较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯在水处理中的应用 [7] ? [8] 。 本文介绍了石墨烯与水处理相关的主要性能，综述了石墨烯及其复合材料在水处理中的研究进展，并对当今石墨烯材料在水处理研究中遇到的挑战和问题做了进一步分析，对今后这一领域的研究作了展望。 1石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 1.1石墨烯 石墨烯因其吸附原理简单、费用低及处理效果好等优点广泛应用在水环境治理中。巨大的比表面积使石墨烯成为良好的吸附材料。作为吸附剂在水处中的相关研究主要集中在吸附两类污染物：有机物与无机阴离子 [9] 。水中的有机污染物易与石墨烯表面发生相互作用，
《石墨烯相关知识》word版
石墨烯 石墨烯（Graphene）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。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸 收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其 电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10- 6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料（仅限常温下，肯定 比不过超导）。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论 才能描绘。石墨烯被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件 或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明 触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢 晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的 graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯 内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶 格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，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，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边 形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月， 佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并 观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路. 发现历史 在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。1948年，G. Ruess 和 F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微 镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像。
石墨烯光电探测器
石墨烯光电探测器 第一节纯石墨烯光电探测器 2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理 有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。 （a）（b） （c）（d） 图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d） 辅助的等离子体波机制(引自[27]) 光伏效应 光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的
方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。 光热电效应 辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度 上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。 光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。 辐射热效应 辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。 由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。 光门效应 光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。第一，电子-空穴对的生成发生在GRM 中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。第二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中。接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中。 通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。同时，长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上，例如视频图像电流。所以合适的评估不仅来自响应度，还有其噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力。 辅助的等离子体波机制 Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
石墨烯的发展概况
2015年秋季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:复合材料专题报告学生所在院（系）:航天学院 学生所在学科:工程力学 学生姓名:刘猛雄 学号:15S018001 学生类别:学术型 考核结果阅卷人
1 石墨烯的制备 (3) 1.1 试剂 (3) 1.2 仪器设备 (3) 1.3 样品制备 (4) 2 石墨烯表征 (4) 2.1 石墨烯表征手段 (4) 2.2 石墨烯热学性能及表征 (6) 2.2.1 石墨烯导热机制 (6) 2.2.2石墨烯热导率的理论预测与数值模拟 (6) 2.2.3 石墨烯导热性能的实验测定 (7) 3 石墨烯力学性能研究 (9) 3.1石墨烯的不平整性和稳定性 (10) 3.2 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测 (11) 3.3石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性 (12) 3.4 原子尺度缺陷和掺杂等对石墨烯力学性能的影响 (13)
石墨烯的材料与力学性能分析石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点，石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料。2004年Geim等用微机械剥离的方法成功地将石墨层片剥离, 观察到单层石墨层片, 这种单独存在的二维有序碳被科学家们称为石墨烯。2004 年英国科学家首次制备出了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体—石墨烯，其厚度只有0.3354 nm,是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质:强度达130GPa、热导率约5000 J/(m2K2s)、禁带宽度乎为零、载流子迁移率达到23105 cm2/(V2s)、高透明度(约97.7%)、比表面积理论计算值为2630 m2/g,石墨烯的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)与碳纳米管相当,它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。在过去几年中,石墨烯已经成为了材料科学领域的一个研究热点。为了更好地利用石墨烯的这些特性,研究者采用了多种方法制备石墨烯。随着低成本可化学修饰石墨烯的出现,人们可以更好地利用其特性制备出不同功能的石墨烯复合材料。 1 石墨烯的制备 石墨烯的制备从最早的机械剥离法开始逐渐发展出多种制备方法,如:晶体外延生长法、化学气相沉积法、液相直接剥离法以及高温脱氧和化学还原法等。我国科研工作者较早开展了石墨烯制备的研究工作。化学气相沉积法是一种制备大面积石墨烯的常用方法。目前大多使用烃类气体(如CH4、C2H2、C2H4等)作为前驱体提供碳源，也可以利用固体碳聚体提供碳源,如Sun等利用化学气相沉积法将聚合物薄膜沉积在金属催化剂基体上,制备出高质量层数可控的石墨烯。与化学气相沉积法相比,等离子体增强化学气相沉积法可在更低的沉积温度和更短的反应时间内制备出单层石墨烯。此外晶体外延生长法通过加热单晶6H-SiC 脱除Si,从而得到在SiC表面外延生长的石墨烯。但是SiC晶体表面在高温过程中会发生重构而使得表面结构较为复杂,因此很难获得大面积、厚度均一的石墨烯。而溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点也越来越受研究人员的关注。相比于其他方法，通过有机合成法可以制备无缺陷且具有确定结构的石墨烯纳米带。 1.1 试剂 细鳞片石墨(青岛申墅石墨制品厂,含碳量90%-99.9%，过200 目筛)，高锰酸钾(KMnO4，纯度≥99.5%)，浓硫酸(H2SO4, 纯度95.0%-98.0%)，过氧化氢(H2O2, 纯度≥30%), 浓盐酸(HCl, 纯度36.0%-38.0%)均购自成都市科龙化工试剂厂;氢氧化钠(NaOH, 纯度≥96%)购自天津市致远化学试剂有限公司;水合肼(N2H42H2O, 纯度≥80%)购自成都联合化工试剂研究所. 实验用水为超纯水(>10 MΩ2cm). 1.2 仪器设备 恒温水浴锅(DF-101型,河南予华仪器有限公司), 电子天平(JT2003型,余姚市金诺天平仪器有限公司),真空泵(SHZ-D(Ⅲ)型,巩义市瑞德仪器设备有限公司),超声波清洗器(KQ5200DE型, 昆山市超声仪器有限公司),离心机(CF16RX型, 日本日立公司),数字式pH计(PHS-2C型,上海日岛科学仪器有限公司),超纯水系统(UPT-II-10T型,成都超纯科技有限公司)。
石墨烯对废水中重金属处理
石墨烯对水中重金属的处理技术 摘要：石墨烯作为目前自然界最薄、强度最高的材料，具有极大的比表面积、良好的化学稳定性以及表面活性，是一种高效的去除水中重金属的吸附材料。本文介绍了石墨烯材料的种类、特征，分析了去除废水中重金属离子的机理，应用情况，影响因素。指出了石墨烯作为吸附剂的潜在劣势，以及在水处理过程中的应用前景。 Abstract: As the thinnest and strongest material, graphene has huge surface area, excellent chemical stability and suface activity, which is an efficient absorption material for removing heavy metals from water. This paper introduces the types and characteristics of graphenematerials; analyzes the mechanism of graphenen materials removing heavy metal ion from waste water, the applications and influencing factors; points out the disadvantages and prospects of the graphene as an absorbent. 关键词：重金属污染石墨烯吸附水处理 前言 水乃生命之源，不管是对于人类，动植物，还是微生物，但是随着工业的发 展，各种各样的重金属离子被排入水体，随后被动植物吸收，又随着食物链浓缩， 进入人体，在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性， 也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急 性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，严重危害人类的健康。如日本发生的水俣病 和骨痛病等公害病，都是由重金属污染引起的。 面对亟待解决的重金属污染问题，寻求一种高效便捷的处理技术极其重要， 常见的重金属处理方法有化学沉淀法、混凝沉淀法、电解法、离子交换法、吸附 法和生物处理法等，其中吸附法操作简单，成本低廉，备受青睐，而吸附剂的选 择是吸附法的关键。
石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究进展
石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究 进展 摘要随着吉赫兹（GHz）频率范围的电磁波在无线通信领域的广泛应用，诸如电磁干扰、信息泄露等问题亟待解决。此外，军事领域中的电磁隐身技术与导弹的微波制导需要，使得电磁波吸收材料受到持续而广泛的关注。因此，迫切需要发展一种厚度薄、频带宽、强吸收的吸波材料。 石墨烯作为世界上最薄硬度最强的纳米材料，优点很多，例如石墨烯制成的片状材料中，厚度最薄，比表面积较大，具有超过金刚石的强度等，这些优点满足吸波材料的需求。石墨烯基复合材料在满足吸波材料基本要求的基础上又提升了材料吸收波的能力。 本文简单地介绍了吸波材料及石墨烯，综述概况了石墨烯基复合材料的研究现状，包括石墨烯复合材料制备方法、微观形貌以及复合材料的吸波性能，提出了石墨烯基复合吸波材料未来的发展方向。 关键词石墨烯基；吸波材料；纳米材料
Progress in Preparation and absorbing properties of graphene-based composites Abstract With the gigahertz (GHz) frequency range of the electromagnetic waves are widely used in wireless communications, such as electromagnetic interference, information leaks and other problems to be solved. In addition, military stealth technology in the field of electromagnetic and microwave guided missiles require such electromagnetic wave absorbing material is subjected to a sustained and widespread concern. Therefore, an urgent need to develop a thin, wide frequency band, a strong absorption of absorbing materials. Graphene as the strongest of the world's thinnest hardness nanomaterials, has many advantages, such as a sheet material made of graphene, the thinnest, large specific surface area, with more than a diamond of strength, these benefits meet absorbers It needs. Graphene-based composites on the basis of absorbing materials to meet the basic requirements but also enhance the ability of the material to absorb waves. This article briefly describes the absorbing material and graphene, graphene reviewed before the status quo based composite materials research, including graphene composite material preparation, morphology and absorbing properties of composites made of graphene-based composite
石墨烯(论文)
石墨烯的制备,特征,性能及应用的研究 内蒙古工业大学化学工程与工艺徐涛 010051 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, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。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,引起了科学界新一轮的碳! 热潮。分析了近1 年来发表在Science、Nature 等期刊上的关于石墨烯的论文, 对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。 关键字: 石墨烯, 制备, 表征, 应用, 石墨烯氧化石墨烯(GO) 功能化石墨烯传感器 碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料, 它可以形成硬度较大的金刚石, 也可以形成较软的石墨. 近20 年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985 年发现的富勒烯[1]和1991 年
发现的碳纳米管(CNTs)[2]均引起了巨大的反响, 兴起了研究热潮. 2004 年, Manchester 大学的Geim 小组[3]首次用机械剥离法获得 了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯. 石墨烯的发现, 充 实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨 烯到三维的金刚石和石墨的完整体系. 石墨烯是由碳原子以sp2 杂 化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的 苯六元环, 其理论厚度仅为0.35 nm, 是目前所发现的最薄的二维材料[3]. 石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元, 可以翘曲变成零维 的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs[4-5]或者堆垛成三维的石墨(图1). 这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象, 使石墨烯表现出许多 优异的物理化学性质, 如石墨烯的强度是已测试材料中最高的, 达130 GPa[6], 是钢的100 多倍; 其载流子迁移率达1.5×104 cm2〃V-1〃s-1 [7], 是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍, 超过商用硅片迁移率的10 倍, 在特定条件下(如低温骤冷等), 其迁移率甚至可高达2.5×105 石墨烯的热导率可达5×103W〃m-1〃K-1, 是金刚石的3 倍[. 另外, 石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)[10]及室温铁磁性[11]等特殊性质. 石墨烯的这些优异性引 起科技界新一轮的“碳”研究热潮, 已有一些综述性文章从不同方面对石墨烯的性质进行了报道.,本文仅根据现有的文献报道对石墨烯 的制备方法、功能化以及在化学领域中的应用作一综述
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
新型石墨烯光电探测器_
热固性树脂第30卷 [2]王润国，周鑫鑫，雷巍巍，等.衣康酸的制备及其在高分子材料 中的应用[J].中国材料进展，2012，31（12）：48-52. [3]王庆昭，吴巍，赵学明.生物转化法制取琥珀酸及其衍生物的前 景分析[J].化工进展，2004，23（7）：794-797. [4]郑玲艳，杨建刚，郭学武，等.低产异戊醇清酒酵母菌株的选育 [J].酿酒科技，2008（10）：17-19. [5]Ishida S.，Saito S.Polymerization of itaconic acid derivatives[J]. Journal of Polymer Science Part A-1：Polymer Chemistry，2014，5 （4）：689-705. [6]Ali M A，Tateyama S，Oka Y，et al.Syntheses of high-performance biopolyamides derived from itaconic acid and their environmental corrosion[J].Macromolecules，2013，46（10）：3719-3725. [7]欧阳贻德，唐正娇，陈古圣，等.异戊醇从氯化物-磷酸体系中萃 取盐酸的动力学[J].化学工程，2008，36（9）：1-4. [8]魏代成，杨明德，党杰.异戊醇萃取分离钼酸钠溶液中微量硅的 研究[J].冶金分析，2006，26（2）：31-34. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 新型石墨烯光电探测器 据物理学家组织网4月14日报道，西班牙和美国科学家合作研制出一种基于石墨烯的光电探测器转化仪，其能在不到50飞秒（飞秒为千万亿分之一秒）的时间内将光转化为电信号，几乎接近光电转化速度的极限，将大力助推多个领域的发展。 高效的光电转化技术，因为能让光所携带的信息转化成可在电子电路中进行处理的电信号，在从照相机到太阳能电池等多个关键技术领域发挥着重要作用，也是数据通讯应用的重要支撑。尽管石墨烯是一种拥有极高光电转化效率的材料，但此前科学家们并不知道其对超短光脉冲的反应究竟有多快。 现在，由西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究员弗朗克·科朋斯教授、加泰罗尼亚高等研究院的尼尔克·范·赫斯特、美国麻省理工学院的帕博罗·加里洛-赫耶罗，以及加州大学河滨分校物理系教授刘津宁（音译）领导的研究团队研制出了这种基于石墨烯的光电探测器转化仪，其能在不到50飞秒的时间内将光转化为电，将光电转化速度推到了极限。最新研究已发表在4月13日在线出版的《自然·纳米技术》杂志上（Nat. Nanotechnol.,2015,DOI:10.1038/nnano.2015.54）。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 英帝国理工学院研发下一代滤膜提升工业生产效能 过滤膜在水处理、石化和制药等行业都有大规模应用，是一项重要工业用材料。英国帝国理工学院16日发布公告说，该校将与英国多所院校合作开发新一代膜材料，以提升工业生产效能。 全球大量能源都消耗在各类过滤作业中，比如污水处理、石化精加工等，但目前使用的滤膜存在许多缺点，包括寿命短、使用能耗高、制造成本高昂。 据介绍，帝国理工学院与巴斯大学、曼彻斯特大学以及纽卡斯尔大学联手创立了一个专门的科研合作体，共同研发能提升工业用膜效能的新材料。其中一个由帝国理工学院主导的项目，将研究如何利用高分子聚合物和陶瓷来制造新一代膜。 研究人员说，目前的工业用膜使用一段时间后渗透性会变得非常差，导致过滤效率降低，增加能耗。如果使用高分子聚合物和陶瓷来制作膜，有望解决这一问题，让它能在更长时间内保持较高的过滤效率。 参与这一项目的帝国理工学院教授安德鲁·利文斯顿说，现代社会尽管大量使用膜来进行从水到油品的过滤作业，但这类膜的制造材料在过去很长一段时间里都没有太多改变，这影响了膜的使用效率，研发中的新一代膜有望改变这一现状，进而让多个工业行业的生产获益。 24
石墨烯
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