石墨烯基本知识
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。
石墨烯的性质及应用
石墨烯的性质及应用石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成的二维晶体结构，具有一系列独特的性质和应用潜力。
以下将详细介绍石墨烯的性质和应用。
性质：1. 单层结构：石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，在垂直方向上只有一个原子层，具有单层的特点。
2. 高强度：尽管石墨烯只有一个碳原子层，但其强度非常高。
石墨烯的破断强度远远超过钢铁，是已知最强硬的材料之一。
3. 高导电性：石墨烯的碳原子呈现出类似于蜂窝状的排列方式，使得电子能够在其表面自由传导。
石墨烯的电子迁移率是晶体硅的200倍以上，使得其具有非常高的导电性能。
4. 高热导性：由于石墨烯中的碳原子排列紧密，热量传递效率非常高。
石墨烯的热导率超过铜的13000倍，是已知最高的热导材料之一。
5. 弹性：石墨烯具有非常强的弹性，在拉伸过程中可以扩展到原始长度的20%以上，然后恢复到原始形状。
这种弹性使得石墨烯在柔性电子学和拉伸传感器等领域具有广泛应用。
应用：1. 电子器件：石墨烯的高导电性和高迁移率使其成为制造高速电子器件的理想材料。
石墨烯可以作为传统半导体材料的替代品，用于制造更小、更快的电子元件，如晶体管、电容器和电路等。
2. 透明导电膜：石墨烯具有优异的透明导电性能，可以制备成透明导电膜，用于制造触摸屏、显示器和太阳能电池等设备。
相比于传统的氧化铟锡(ITO)薄膜，石墨烯具有更好的柔性和耐久性。
3. 电池材料：石墨烯可以用作锂离子电池的电极材料，具有高电导性和高比表面积的优势。
石墨烯电极可以提高电池的充放电速度和储能密度，有望在电动汽车和可再生能源储存等领域得到应用。
4. 传感器：石墨烯具有优异的电子迁移率和极高的比表面积，使其成为制造高灵敏传感器的理想材料。
石墨烯传感器可以用于检测气体、压力、湿度和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度的特点。
5. 柔性电子学：石墨烯的高强度和高弹性使其成为柔性电子学的重要组成部分。
石墨烯可以制备成柔性电路、柔性显示屏和柔性传感器等，有望应用于可穿戴设备、智能医疗和可卷曲设备等领域。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念之迟辟智美创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资料中剥离出来、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，理论比概况积高达2.6×102 m2 /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).另外，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，引起科学界巨年夜兴趣，成为资料科学研究热点.石墨烯结构图2石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子标准厚单层石墨层片，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年夜的作用.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单位，可以将它看做一个无限年夜的芳香族分子，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聚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，每一个六边单位实际上类似苯环，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，使碳原子不用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发生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增年夜.因此，通过控制石墨烯条带的宽度即可以进一步获得需要的势垒.这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础.石墨烯能带结构图3石墨烯性能石墨烯是一种超轻资料，面密度为0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超强的导电性.石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，是硅的100倍，在室温下可以到达15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多，只有10 ～6Ω·cm 左右.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m•K.三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超越金刚石，断裂强度到达钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概况积.石墨烯的比概况积每克比普通活性炭高出1130m2，到达2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米资料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能.理论和实验结果标明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%.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%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数.结合非交互狄拉克-费米子理论，模拟石墨烯的透射率，可以得出与实验数据相符的结果.根据折射和干涉原理，分歧层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出分歧的颜色和比较度，为石墨烯层数的分辨提供了方便.理论和实验标明年夜面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能，且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变动.石墨烯薄膜是一种典范的透明导电薄膜，可以取代氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜资料，即可克服ITO薄膜的脆性缺点，也可解决铟资源稀缺对应用的限制等诸多问题.石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极.另外，当入射光的强度超越某一临界值时，石墨烯对其的吸收会到达饱和.这一非线性光学行为成为饱和吸收.在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收.利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等.3.2 石墨烯的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π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性.由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小.电子在石墨烯中传输时不容易发生散射，传输效率1.5×105cm2/(V·s)，约为硅中电子迁移率的140倍.其电导率可达106s/m，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的资料.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.石墨烯的呈现在科学界激起了巨年夜的波涛.人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超越钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的呈现有望在现代电子科技领域引发一轮革命.在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯暗示得好.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72%-81%的电能，石墨烯则分歧，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性.3.3 石墨烯的力学性能石墨烯是一直资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.理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可接受4kg的质量.石墨烯可作为一种典范的二维增强资料，在复合资料领域具有潜在的应用价值.石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能坚持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵抗外力，保证自己的稳定性.石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数高5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石.石墨烯的理论比概况积可达2630m2/g，用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体附着或脱离石墨烯概况时，吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度，招致电阻发生阶跃型变动.这一特性可用于制作气体传感器.理论计算标明，石墨烯与锂可形成多孔复合结构，具有极强的氢气贮存能力.3.5 石墨烯的磁学性能石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性，主要是由于石墨烯在氢化以后，在边缘处有孤对电子对，这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下，做过通过改变温度，看能否让石墨烯的磁性有所变动.确定磁场强度为1T，当温度T＜90K 时，石墨烯会暗示出顺磁特性；当温度T＞90K 时，石墨烯会呈现出了反磁特性.3.6 石墨烯的化学性能石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，钾），这条性质和我们所认知的活性炭有些相似.二氧化氮，氨，钾往往是被作为给体或受体，使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变动，然而石墨烯自己就是一种导电资料.其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会发生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰分歧吸附物而已.由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体，从化学的角度上来看，往往它们具有一些相同的性质，所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比力简单又方便的思想，在未来，石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特性示意图。
石墨烯的介绍
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1 石墨烯的基本性质 2 石墨烯的制备方法 3 石墨烯的应用领域 4 结论与展望
石墨烯的介绍
石墨烯是一种由碳原子组成 的二维材料，它是单层石墨 的片状结构，具有极高的电 导率、热导率和机械强度
下面我们将详细介绍石墨烯 的基本性质、制备方法、应 用领域以及研究现状
CHAPTER 1
石墨烯的应用领域
能源领域
石墨烯的热导率和电导率都非常高，因此它在能源领域也有广泛的应用。例如，石墨烯可 以用于制造高效能电池和超级电容器等能源器件。此外，石墨烯还可以作为催化剂载体用 于燃料电池等领域
石墨烯的应用领域
生物医学领域
石墨烯具有良好的生物相容性和抗氧化性，因此在生物医学领域也有广泛的应用。例如， 石墨烯可以用于制造药物载体、生物传感器和成像试剂等生物医学器件。此外，石墨烯还 可以作为生物材料用于组织工程等领域
CHAPTER 3
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
由于石墨烯具有优异 的物理和化学性质， 它在许多领域都有广 泛的应用。以下是石 墨烯的主要应用领域
石墨烯的应用领域
电子器件领域
石墨烯具有很高的电 导率，因此它在电子 器件领域具有广泛的 应用。例如，石墨烯 可以用于制造晶体管 、场效应管、太阳能 电池等电子器件。此 外，石墨烯还可以作 为透明导电膜用于显 示器等领域
CVD法
CVD法是一种常用的制备石墨烯的方法，它是通过加热含碳气体(如甲烷、乙炔等)在基底 表面形成石墨烯。这种方法可以制备大面积、高质量的石墨烯，但需要高温条件和复杂的 设备
石墨烯的制备方法
氧化还原法
氧化还原法是一种通过氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，再通过还原剂将氧化石墨还原成石 墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯质量较高，但需要使用化学试剂和复杂的工艺流程
石墨烯
石墨烯石墨烯声明：百科词条人人可编辑，词条创建和修改均免费，绝不存在官方及代理商付费代编，请勿上当受骗。
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石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。
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，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。
[1] 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
中文名石墨烯外文名Graphene 发现时间2004年主要制备方法机械剥离法、气相沉积法、氧化还原法、SiC外延法主要分类单层、双层、少层、多层（厚层）基本特性强度柔韧性、导热导电、光学性质应用领域物理、材料、电子信息、计算机等目录1 研究历史2 理化性质? 物理性质? 化学性质3 制备方法? 粉体生产方法? 薄膜生产方法4 主要分类? 单层石墨烯? 双层石墨烯? 少层石墨烯? 多层石墨烯5 主要应用? 基础研究? 晶体管? 柔性显示屏? 新能源电池? 航空航天? 感光元件? 复合材料6 发展前景? 中国? 美国? 欧洲? 韩国? 西班牙? 日本研究历史编辑实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。
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。
石墨烯材料的性质及应用
石墨烯材料的性质及应用石墨烯是一种类似于石墨的二维材料，是由碳原子通过共价键连接成一个平面网络。
石墨烯的单层结构具有许多惊人的性质，如高导电性、高热导性、高强度、高柔韧性、高光学透明性等。
这些性质使得石墨烯材料在电子学、光学、能源、生物医学等领域应用极为广泛，有着巨大的潜力和市场前景。
1. 石墨烯的制备石墨烯最早是由英国的两位诺贝尔奖获得者安德里·海姆和康士坦丁·诺沃肖洛夫在2004年实验室中发现的。
目前，石墨烯的制备方法主要有以下几种：（1）机械剥离法机械剥离法是最早发现的石墨烯制备方法，其原理是通过石墨石材料的机械剥离可以获得单层石墨烯结构。
这种方法简单易行，但是有着较低的制备效率和较粗糙的表面。
（2）化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是一种典型的材料制备方法，通过在高温下将气相前体分子反应在金属基底上，可以实现石墨烯薄膜的制备。
该方法成品质量较高，但需要高成本设备和复杂操作。
（3）氧化还原法（GO/RGO）氧化还原法是用强酸处理粉末石墨制备氧化石墨（GO），再通过还原还原氧化石墨（RGO）的方法制备石墨烯的过程。
这种方法制备的石墨烯具有高度的可控性和高质量程度。
2. 石墨烯材料的性质石墨烯具有许多优异的性质和特点，使其成为当今材料科学中的新宠。
（1）高导电性石墨烯中的碳原子只有两个相邻的原子可以形成共价键，因此石墨烯的电子可以自由运动，电荷载流性能极佳。
它的电学性质趋近于一个理想的二维金属，因此在电子学、光学、能源、生物医学等领域被广泛应用。
（2）高热导性由于石墨烯中碳原子的高度紧密排列，热量可以快速传导。
与金属材料相比，石墨烯的热导率达到了非常高的数值，这种性质需要在热管理、电子冷却等应用中得到广泛应用。
（3）高强度和高柔性石墨烯具有极高的强度和柔性，在普通条件下可承受巨大的拉力和压力，同时保持材料的完整性，因此在制备微型机械、生物传感器等领域应用中具有很大的潜力。
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。
石墨烯简介
石墨烯的特性
石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料,也是有史以来被证实的最结实的材料,其强度可达130 GPa，是钢的100多倍，，其断裂强度达到了惊人的42NM-1；最新的研究表明，石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000 cm2V-1s-1） ，石墨烯的热导率可达5000W/ m·K， 是室温下纯金刚石的 3倍。目前试验还证实了石墨烯中的电子和空穴成对现象(ElectronHole Symmetry)，半整数量子霍尔效应(Half-integer Quantum Hall Effect)，室温量子霍尔 效应(Room-Temperature Quantum Hall Effect)等多种独特的电子结构和性质。
化学稳定性:石墨在常温下具有良好的化学稳定性，能耐酸碱、耐有机溶剂的腐蚀。
润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。石 墨为层状耐磨矿物，其Bond粉碎功指数高达45.03kw/t，相较于粘土的7.1kw/t、黄铁矿的 8.9kw/t，以及石英的12.77kw/t高出许多.
目前有三种方法制备石墨烯,一种是SiC的高温热解外延法或过渡族金属催化外延法，另一 种是轻微摩擦法或撕胶带法.第三种是化学修饰分散/还原法.
石墨烯是之中。用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯” 用的超韧缆线，研究表明石墨烯增强聚乙烯醇（PVA）复合材料，只需要添加0.7%（重量 比）的石墨烯，就可以使复合材料的拉伸强度提高76 ％，同时其杨氏模量增加62％；另 外，在功能化石墨烯增强的聚氨酯复合材料中，石墨烯含量为1％时，其复合材料的强度 提高75％，模量提高120 ％。
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共价键修饰 非共价键修饰 金属颗粒或离子修饰
石墨烯的基本知识
其它方法
石墨烯还可以采用化学方法直接合成先合成六 苯并蔻(HBC) ,然后在FeCl3 或Cu (OTf) 2-AlCl3 作用 下环化脱氢得到较大平面的石墨烯。
在上述制备方法中，超声剥离、SiC高 温热解和CVD-衬底转移三种方法被认 为最有希望实现大面积晶圆级石墨烯的 制备，使得石墨烯最终替代Si，成为延 续摩尔定律的下一代半导体材料。
石墨烯的基本知识
石墨烯的发现推翻了所谓“热 力学涨落不允许二维晶体在有 限温度下自由存在”*的原有认 知，震撼了整个物理界。因此 其发现者A. K. Geim和K. S. Novoselov获得了2008年诺贝尔 物理学奖的提名。
* Novoselov K S, Geim A K,
Firsov A A. Science, 2004, 306:666-669.
A.K. Geim教授认为，我们所 熟知的石墨、纳米碳管和富勒烯等 C的3维结构，是由单层石墨烯(SG) 经过某种形变而形成的。
石墨烯的基本知识
单层 石墨烯
富勒烯
纳米碳管
石墨
A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials, 2007, 6:183-烯的输运特性
对于单层或双层石墨烯，其最显著的性质： 1.高室温迁移率，且电子与空穴的迁移率几乎相 等，其散射机制主要是声子散射； 2.载流子模型为无质量的狄拉克-费米子 (Massless Dirac-Fermions)； 3.半整数和反常霍尔效应、室温量子霍尔效应； 4.电子相干弹道输运； 5.库伦阻塞等。
石墨烯的基本知识
A. K. Geim和K. S. Novoselov已获2010 年诺贝尔物理奖
石墨烯的基本知识
什么是石墨烯？
石墨烯——英文Graphene， 命名来自英文graphite+ -ene，是一 种由C原子经sp2电子轨道杂化后形 成的蜂巢状的准二维结构，是C元 素的另外一种同素异形体。
These two atoms for two interlocking triangular sublattices.
石墨烯的基本知识
- A atom - B atom
Graphene has two simple edge geometies.
The zigzag termination involves only one sublattice site.
石墨烯
王东 2010年10月
调研报告的主要内容
石墨烯的基本知识 石墨烯的研究进展 晶圆级石墨烯 本人对该项目的若干建议
石墨烯的基本知识
C元素的同素异形体
石墨（Graphite）——层状 结构，每一层中的碳按六方环状 排列，上下相邻层通过平行网面 方向相互位移后再叠置形成层状 结构，位移的方位和距离不同就 导致不同的多型结构。
The armchair termination involves both sub-lattice sites.
Modified from: /img/science/graphite © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials
石墨烯的稳定性
由于完美二维晶体不能在有限温度下稳定存在 ，近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的 解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。
石墨烯在聚合 物中的相变。 a) 加热前； b) 加热后
Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132
石墨烯的基本知识
石墨烯的种类
碳纳米管一般分为单壁(右上) 和多壁（右下）两种。
石墨烯的基本知识
石墨烯(Graphene)
2004年，曼彻斯特大 学Geim教授、Novoselov博 士和同事以微机械剥离法剥 离层状石墨，发现了二维碳 原子平面结构——石墨烯。
3个C 原子
6个C 原子
高分辨STM图片 a) 石墨 b) 单层石墨烯
原子力显微镜(AFM)
高分辨扫描/透射电子显微镜(SEM/TEM)
显微拉曼(Raman Spectroscopy)
X射线衍射(XRD)
其它光学方法
石墨烯的基本知识
光学方法观察石墨烯
石墨烯的基本知识
高分辨STM/AFM
高分辨AFM可以分辨石墨烯的层数；而高分辨的 STM可以分辨石墨烯的晶体结构，但是效率很低。
C-terminate SiC
Si-terminate SiC
Graphene and Emerging Materials for Post-CMOS Applications, 2009,19(5):125-130
石墨烯的基本知识
SiC衬底高温热解法
C原子重构(Reconstruction) Si-face (0001) SiC
石墨烯的基本知识
石墨烯主要制备方法比较
工艺名称
优点
缺点
适用范围
微机械 工艺简单，可得到 手工、费时，面积 基础研究或
剥离
单层
小，无法批量生产 者原型器件
SiC高温 纯度高，可原位监 均匀性较差，不同 高性能的电
热解 控，可大面积生长， 原子截止面性质差 子器件，晶
无需衬底转移
异明显，成本高昂
圆级
石墨烯的基本知识
石墨烯的能带结构（一）
载流子为无静止质量的狄拉 克-费米子，需用相对论量子力学 来描述。
Physics Today (2007)
石墨烯的基本知识
石墨烯的能带结构（二）
Monolayer
Bilayer
K
x K
x
Vertical optical transition
Van Hove Singularity
如果采用超 声剥离技术， 可以提高效 率和成品率
Nanotechnology, 2008, 19: 455601
石墨烯的基本知识
SiC衬底高温热解法
超高真空(10-10Torr)下对SiC衬底氧化或氢化处理，加热 至1200~1500℃，再降温冷却形成石墨烯。优点是可得到单层 和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差，Si面形成单层或少 层片状石墨烯，C面形成多层石墨烯。
CVD 可实现大面积生长， 需过渡族金属催化， 高性能电子
外延
可控性较好
必须衬底转移 器件，晶圆
级
化学分离 工艺简单，可控性 无法大面积，含氧 基础研究或
较好
功能团降低性能 小型器件
其它
石墨烯的基本知识
石墨烯的表征方法
原位(主要是在SiC高温热解法)
AES、LEEM
离位
可以直接 得到层数
高分辨扫描隧道显微镜(STM)
单层石 墨烯
Single-layer Graphene(SG)
石墨烯
双层 石墨烯 少层 石墨烯
Bi-layer Graphene(BG)
层间以范德华力 （Van Der Waals）结合
Few-layer Graphene(FG) （层数<10）
石墨烯的层数不同，性质也随之产生很大差异。
石墨烯的基本知识
石墨烯的基本知识
石墨烯的层间堆垛结构(Stacking)
单层石墨烯(Single-layer)
三层石墨烯(Tri-layer) 双层石墨烯(Bi-layer)
石墨烯的基本知识
石墨烯的基本知识
- A atom - B atom
Graphene has two atoms per unit cell.
石墨烯的独特性质是由其独特的结构 所决定的。
石墨烯的基本知识
石墨烯
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 间夹角约为120°；第4个电子 为公共，形成弱π键(紫)，为平 面结构。
金刚石
C原子外层四个电子通过 sp3杂化，形成较强σ键，为 四面体结构，相邻两个键之 间夹角约为109°。
石墨烯的基本知识
石墨烯的光学性质
石墨烯被氧等离 子体处理后，被波 长514nm的激光激发， 会产生500~800nm的 可见光光谱，光子 寿命在2ns以上。 1、2和3区域分别为 单层、双层和3层石 墨烯。
ACS Nano, 2009, 3: 3963
石墨烯的基本知识
石墨烯的磁学性质
石墨烯电子杂化程度高，本身不具磁性，引入 杂质或缺陷使外层有未配对电子，会产生磁性。
物理方法
HOPG微机械剥离法 超声剥离法
化学方法
SiC高温热解法 过渡族金属衬底CVD法 氧化-分散-还原法 其它方法
石墨烯的基本知识
HOPG微机械剥离法
利用手工或超声的方法将高取向性高温热解石 墨(HOPG)逐层剥离，缺点是效率低、无法大面积， 优点是层数可控，尤其可得到单层石墨烯。
石墨烯家族的其它成员
石墨烷(Graphane)
氢化石墨烯(Graphone)
氧化石墨烯(Graphene Oxide)
石墨烯的基本知识
石墨烯的独特性质
最薄——单层原子厚、准二维 强度最高（~1060 GPa） 惊人的热导率（3000 Wm-1K-1）和硬度 极高的载流子迁移率——105 cm2 V–1 s–1量级 载流子的有效质量为0——弹道输运 室温半整数量子霍尔效应 电导率永不消失
(3 3) 850C(11) 1000C( 3 3) 1150C(6 3 6 3) 1350CGraphitization
Graphene C-face (000-1 ) SiC ()
Graphene C-SiC
石墨烯的基本知识
过渡族金属衬底CVD法
首先沉积一层过 渡族金属(如Fe、Cu、 Ni、Pt、Au、Ru、Ir 等)薄膜作为衬底，利 用其与C的高温固溶， 然后冷却析出，再表 面重构，形成石墨烯。 优点是有利于大面积 晶圆级石墨烯生长； 缺点是层数精确控制 较难，需要进行金属 衬底剥离和衬底转移。