比钻石还硬的材料-石墨烯
石墨烯简介
石墨烯简介有这样一种材料，它的机械强度是世界上最好钢的100倍，有着最快的电子迁移率，1秒内就可以传完两张蓝光DVD的容量……这就是石墨烯。
石墨烯是从石墨中剥离出的单层碳原子面材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，也可称为“单层石墨”（碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，为平面多环芳香烃原子晶体），它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。
一、石墨烯发展简史20世纪初，科学家开始接触到石墨烯。
2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·杰姆（AndreGeim）和他的学生克斯特亚·诺沃消洛夫（Ko-styaNovoselov）用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。
他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复这样的操作，于是薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。
2010年,他们二人凭借着在石墨烯方面的创新研究获得了诺贝尔物理学奖。
获奖后，一些媒体渲染性地报道：“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。
”二、特性石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质：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，碳原子之间的连接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品；几乎完全透明，却极为致密、不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透；导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料；化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
三、制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法两种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法，化学法包括化学还原法与化学解理法、化学气相沉积法等。
生物材料——石墨烯)
• 其他应用：石墨烯还可以应用于晶体管、 触摸屏、基因测序等领域，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。
• 氧化还原方法：氧化还原法由于其稳定性 而被广泛采用，产量高。但氧化过程会导 致大量的结构缺陷，这些缺陷导致的电子 结构变化使石墨烯由导体转为半导体，严 重影响石墨烯的电学性能，制约了它的应 用。
• 3.石墨层间化合物法：石墨插层化合物途径 制得的石墨烯结构缺陷少，质量高，但是 有机溶剂和表面活性剂难以完全除去，影 响石墨烯的电学性能，而且部分有机溶剂 价格昂贵。
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。 • 世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几 乎是完全透明的，透明度高于高于碳纳米 管和金刚石。
• 石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构 成的材料。铅笔里用的石墨就相当于无数 层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是石墨 烯卷成了筒状。
• 适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至 太阳能电池。
• 光子传感器：因为石墨烯是透明的，用它 制造的电板比其他材料具有更优良的透光 性。
• 基因电子测序：由于导电的石墨烯的厚度 小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及 DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此， 石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本 的基因电子测序技术。
• 减少噪音：通过在二层石墨烯之间生成的 强电子结合，从而控制噪音。噪声。
• 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。
石墨烯的结构与性能.
力学性能
• 石墨烯是已知材料中强度和硬度最 高的晶体结构。
• 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。
• 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
力学性质——比砖石还要硬
数据转换分析：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米长的石墨 烯断裂。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装 袋的（厚度约为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， 那么它将承受大约两吨重的物品。打个比方说单层石墨烯的强 度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺 穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。
• 正是这种简单方法制备出来的简单物质— —石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错 误认识——任何二维晶体不能在有限的温 度下稳定存在。
石墨烯的制备：
微机械剥离法
石
碳纳米管横向切割法
墨
烯
微波法
的
电弧放电法
制
备
光照还原法
方
外延生长法
法
石墨氧化还原法 电化学还原法 溶剂热法
液相剥离石墨法 碳化硅裂解法
大面积石墨烯的制备—CVD法：
结 晶粒尺寸较小, 层数不均一且难以控制, 晶界处存 在较厚的石墨烯, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大,
论 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱
在Ni膜上的SEM照片
不同层数的TEM照片
转移到二氧化硅/硅 上的光学照片
实验室制备方法
石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成 羟基、环氧基和羧基。一方面，含氧基团为亲水性，它们的引入 改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性 增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面， 含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石 墨层间的团聚现象。
石墨烯材料的优缺点
【导读】近来，除了因获得诺贝尔奖的屠呦呦老师而让大家熟知的青 蒿素之外，还有一样渐渐走红的神秘物质——石墨烯引起了大家的注 意。但新闻宣传中一直都在说着石墨烯的神奇之处，鲜有提到石墨烯 的缺点，今天大家一起来探秘石墨烯的优缺点吧！
石墨烯，实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚 度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。碳原子 之间相互连接成六角网格铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一 起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。它，看起来颇有未来神奇材料 的风范。虽然名字里带有石墨二字，但它既不依赖石墨储量也完全不是 石墨的特性。
• 石墨烯，还有什么令人期待的?11月20日，工信部、国家发改委和科技部联 合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。《意见》提出，未 来，石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施，以及新能源、新能 源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。而石墨烯薄膜、石墨烯 功能纤维的穿戴产品的开发，也让这一新材料更好地服务民生。
•
•
•
优点四：比橡胶柔软
石墨烯的发现者、2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈•海姆这样描述 石墨烯：可以被无限拉伸，弯曲到很大角度不断裂。不仅如此。1克重的石 墨烯展开后面积为2630平方米!这么大的比表面积(物理用词：1克固体拥有 的总表面积)使其拥有超强的吸附性。
• 优点甚多，石墨烯的未来似乎“烯”望无限。随着科研发展，石墨烯已经 渐渐走出实验室，开始走入百姓生活。不久前在2015中国国际石墨烯创新 大会上，石墨烯理疗、保暖产品、 LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯 防弹材料等20余种石墨烯产品全新推出。在石墨烯的诸多应用中，最受普 通大众关注和期待的，是它改变手机等电子设备产品功能的可能性。看来， 你梦寐以求的那款透明薄片可折叠手机将不再只是个梦。
世界上最坚硬的物质是什么？
世界上最坚硬的物质是什么？一、金刚石金刚石是世界上最坚硬的物质之一。
金刚石的硬度是10级，是莫氏硬度尺度中最高的。
金刚石的硬度主要归功于其特殊的晶体结构。
金刚石由碳原子组成，每个碳原子都与其他四个碳原子形成四面体结构，这使得金刚石具有非常强的共价键。
这些共价键使金刚石具有非常高的硬度和强度。
金刚石可以用于加工其他材料，包括金属、玻璃和陶瓷等。
二、石墨烯石墨烯是一种新型碳材料，也是世界上最坚硬的物质之一。
石墨烯的硬度比钢铁高100倍以上，比钻石高200倍以上。
石墨烯的硬度主要归功于其独特的二维结构。
石墨烯是由一个碳原子层组成的，这种层状结构使得石墨烯具有非常高的强度和硬度。
石墨烯还具有很高的导电性和热导率，因此被广泛应用于电子器件等领域。
三、细小晶粒的陶瓷材料细小晶粒的陶瓷材料也被认为是世界上最坚硬的物质之一。
传统的陶瓷材料由于晶粒较大，容易发生晶界滑动和断裂。
而细小晶粒的陶瓷材料，由于其晶粒尺寸小，晶界的位移活动难度增大，使得该材料的硬度和强度得到显著提高。
细小晶粒的陶瓷材料可以用于制造高硬度的刀具和陶瓷复合材料等。
四、碳纳米管碳纳米管也是世界上最坚硬的物质之一。
碳纳米管是由碳原子形成的管状结构，具有非常高的硬度和强度。
碳纳米管的硬度主要取决于其内部结构和键强度。
由于碳纳米管具有非常尖锐的尖端，可以用于制造纳米尖顶探针和扫描隧道显微镜，用于研究和观察材料的表面形貌。
五、纳米结构金属材料纳米结构金属材料也被认为是世界上较为坚硬的物质之一。
纳米结构金属材料的晶粒尺寸小于100纳米，具有非常高的塑性和强度。
纳米结构金属材料的硬度主要由于晶粒边界的位错和晶粒的尺寸效应。
纳米结构金属材料可以用于制造高硬度和高强度的零部件和结构。
综上所述，金刚石、石墨烯、细小晶粒的陶瓷材料、碳纳米管和纳米结构金属材料都被认为是世界上最坚硬的物质之一。
这些材料的硬度和强度主要取决于其晶体结构和微观特性。
对于不同的应用需求，选择合适的坚硬材料可以提高产品的耐磨性和使用寿命。
石墨烯的结构与性能.
大面积石墨烯的制备—CVD法
原 理 将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表 面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.
生长条件
生长机体 碳源
气压
烃类气体
甲烷( CH4) 乙烯( C2H4) 乙炔( C2H2)
镍膜 铜箔
载气 温度
பைடு நூலகம்面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
石墨烯性能简介
• • • • 光学性能 电学性能 力学性能 热学性能
光学性能
• 石墨烯具有优异的光 学性能。 • 理论和实验结果表明 ，单层石墨烯吸收 2.3%的可见光，即透 过率为97.7%。 • 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
电学性能
• 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献 剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可 以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 • 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁 移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子 迁移率的140倍，其电导率可达104S/m， 是室温下导电性最佳的材料。
电学性能 • 石墨烯的导电性可通过化学改性的 方法进行控制，并可同时获得各种 基于石墨烯的衍生物。 • 双层石墨烯在一定条件下还可呈现 出绝缘性。
力学性能 • 石墨烯是已知材料中强度和硬度最 高的晶体结构。 • 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。 • 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
得到单层或少层 较理想石墨烯，但难 实现大面积制备、能 耗高、不利转移
外延法
单层,生长连续、 均匀、大面积
碳化硅外延法
金属外延法
原理
SiC加热 蒸掉Si, C重构生 成石墨烯
石墨烯PPT课件
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
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。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，他们选取了一些之间在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。
电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯 特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发 现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特 殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这 样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳 原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新 方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜加热 NhomakorabeaSiC法
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1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形 成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控 地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制 备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯——一种划时代的新材料
4.低成本石墨烯锂电池
利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，美国研究人员开发出一种新型蓄电池，可以将充电时间从过去的数小时缩短到不到一分钟。
新型石墨烯锂电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术正处在铅酸电池和传统锂电池的发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功，将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。
5. 全球最小光学调制器
据2011年的报道，美国华裔科学家张翔的研究团队使用石墨烯研制出了一款调制器。科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，石墨烯是世界上最薄却最坚硬的纳米材料，只有用它才能做成一个高速、对热不敏感、宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
据 2012年1月报道，江南石墨烯研究院对外发布，首款手机用石墨烯电容触摸屏已在常州研制成功。
又有报道，中科院重庆研究院已经成功制备出 7英寸的石墨烯触摸屏。
值得一提的是,石墨烯具备很好的柔性,也即是说,用它制作的屏幕在一定程度上可以弯曲折叠,不会造成损坏。
3.用于基因电子测序
这项技术初期将会率先被应用在监视器与卫星影像领域。但它终将会被应用在一般的数码相机、摄影机上。而且，他们承诺，假若真的进入消费领域，这个以石墨烯打造的最新感光元件，还可让制造成本压到现今的15%低。不难想像，石墨烯将对摄影带来新的技术冲击——更高感度、更省电、更便宜。
13.是一种优良的改性剂
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
比钻石还硬的材料
—石墨烯
一、石墨烯概念
石墨烯（Graphene），是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是只有一个碳原子的二维材料，其厚度只有0.335纳米，仅为头发丝的20万分之一。
石墨烯具有突出的导热性能和力学性能, 以及室温下较高的电子迁移率。
此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质 ,因而备受关注。
二、石墨烯的发现
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。
正是这种简单的方法制备出来的简单物质——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，而且能十分稳定的存在于特殊的环境下。
三、石墨烯的特点
石墨烯是构成石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯的碳同素异形体的基本单元。
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的存在，则会构成石墨烯的缺陷。
四、石墨烯的性质
1、力学性能——比钻石还要硬
数据转换分析：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。
打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。
实验证明：从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
Changgu Lee, et al.Graphene Measurement of theElastic Properties and Intrinsic Strength of
Monolayer .S cience 321, 385 (2008);
Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。
美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发。
2、出色的电学性质——电子运输
碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。
此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。
3，导电性
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。
这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
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。
4，电子的相互作用
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。
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。
5、其它特殊性质
①石墨烯具有明显的二维电子特性。
②在石墨烯中不具有量子干涉磁阻
③石墨烯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
④好可控渗透性
⑤离子导电体各向异性
⑥超电容性
………………
五、石墨烯的应用
石墨烯由于具有高导电性、高导热性、高强度等诸多优异特性而被称为“神奇材料”，它有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从灯泡到芯片，从电池到触屏，从智能手机到新能源汽车……
1、石墨烯电池
在电池生产中石墨烯可直接作为正负极材料，或是作为导电添加剂添加到正负极材料中，还有是作为涂层提高电池功率特性。
充电和续驶里程问题一直困扰着新能源汽车，这是因为铅酸电池和传统锂电池的发展遭遇“瓶颈”，而石墨烯电池有望在此取得突破。
2、石墨烯超级材料
美国研究人员把柔软的石墨变成了强劲的“钢筋”，过程是把单层二维结构的石墨烯变成具有三维结构的石墨烯泡沫状材料，再用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料，从而制成“钢筋石墨烯”。
中国研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有蜂窝状结构的泡沫材料，它像气球一样轻却像金属一样坚固，未来可以用其制造防弹衣、坦克装甲等。
3、石墨烯存储器
英国、韩国的研究人员还在致力开发基于氧化石墨烯的可弯曲、透明的存储系统。
基于石墨烯的新型存储材料成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高，可以三维堆积。
例如，英国开发的这款石墨烯二氧化钛存储只有 50 纳米长、8 纳米厚，写入和读取速度仅需 5 纳秒。
基于此类研究，未来可弯曲、全透明的智能手机将成为现实。
4、石墨烯除污海绵
科学家利用石墨烯“海绵体”超高的比表面积，对有毒有害物质进行吸附，吸附量可达自重的上百倍，吸附之后经过处理还可循环使用。
中国科学家在普通海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层，利用其导电、疏水、亲油特性，吸附海面上泄漏的浮油。