石墨烯纳米材料课件.

富勒烯：任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结 构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。
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富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六 元环，而富勒烯中可能存在五元环
石墨稀的结构
石墨稀又称单层石墨（目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚） 是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形蜂窝状的二维晶体， 它可以包裹起来形成富勒烯，纳米管或堆叠成三维石墨。
514nm激光激发下单层石墨烯的典型拉曼光谱
通过测量石墨烯的拉曼光谱我们可以判断石墨烯的层数、堆垛方式、缺陷多 少、边缘结构、张力和掺杂状态等结构和性质特征。
就判断石墨烯的层数而言，因为多层和单层石墨烯的电子色散不同，导致了 拉曼光谱的差异。1~4层石墨烯的G峰强度有所不同，且G’峰也有其各自的特征峰 型以及不同的分峰方法，因此，G峰强度和G’峰的峰型常被用来作为石墨烯层数 的判断依据。 就判断石墨烯的缺陷而言，带有缺陷的石墨烯在1350cm-1附近会有拉曼D峰， 一般用D峰与G峰的强度比（ID/IG）以及G峰的半峰宽（FWHM）来表征石墨烯中 的缺陷密度 。 除拉曼光谱以外，石墨烯的表征还有很多方法:X射线衍射（XRD）,原子力 显微镜（AFM）,扫描隧道显微镜（STM）等。
3.热学性质
1.石墨烯的导热率高达5300W/mK，是室温下铜的热导率的10倍多，比金刚石 的热导率要高，和碳纳米管的热导率相当； LOGO 2.石墨烯片层沿平面方向导热具有各向异性； 3.导热率随温度的增加而逐渐减少； 4.随着石墨烯层数的增加，热导率逐渐降低，当层数达到5-8层以上，减少到石 墨的热导率值。
逐渐可以制备出层数为几个片层的石墨薄片。
机械剥离法被广泛用于石墨烯片层的制备,特别在石墨烯的一 些光学、电学性能研究中,一般均以机械剥离法作为主要的制
备方法。与其他方法相比较，机械剥离法是最简单的方法， 对实验室条件的要求非常简单，并且容易获得高质量的石 墨烯。
但制备的石墨烯薄片尺寸不易控制、重复性差，产率较低 ,而 且难以规模化制备单层石墨烯。
三、石墨烯的表征——拉曼光谱（Raman）
石墨烯的拉曼光谱由若干峰组成，主要为G峰，D峰以及G’峰。 由图，G峰是石墨烯的主要特征峰， 由sp2碳原子的面内振动引起的，出 现在1580cm-1附近，该峰能有效反 映石墨烯的层数；D峰被认为是石 墨烯的无序振动峰，它是由于晶格 振动离开布里渊区中心引起的，用 于表征石墨烯样品中的结构缺陷或 边缘；G’峰是双声子共振二阶拉曼 峰，用于表征石墨烯样品中碳原子 的层间堆垛方式。
2.力学性质
石墨烯强度高，可与金刚石媲美。实 测抗拉强度和弹性模量分布为125GPa和 1.1GPa。 同时具有良好的柔韧性，可弯曲。
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石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，强 度却是钢材的100倍。 如果用一平方米的石墨烯做成吊床， 可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量 不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。
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热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在 实验中被制备出来。
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Leabharlann Baidu墨烯的特性
1.光学特性
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2008年，Nair发现石墨 烯在近红外和可见波段具 有极佳的光透射。他们将 悬浮的石墨烯薄膜覆盖在 十几个μm量级的孔洞上， 发现单层石墨烯的透光率 可达97.7%，高度透明， 而且透光率随层数的增加 呈线性减少的趋势。
4.电学性质
其电导率可达106S/m，是室温下导电率最佳的材料。
二、石墨烯的合成与制备
制备方法
物理法：
微机械剥离法、取向附生法 、液相和气相直接剥离法、碳纳米管剪切法。
化学法：
化学氧化还原法、化学气相沉积法、化学溶液直接剥离法、SiC高温分 解法、PMMA碳化法、有机合成法。
1、机械剥离法：
机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法,主要通过机械力从 新鲜石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层。早期的机械剥离法所制 得的石墨薄片通常含有几十至上百个片层,随着技术方法的改进,
石墨烯五大应用领域
1.光电产品领域，以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性，在触摸屏、可穿戴设 备、OLED（有机电激光显示）、太阳能等领域中发挥作用。这也是目前公认最
可能首先实现商品化的领域。
2.能源技术领域，主要依赖于石墨烯超高的比表面积、超轻的重量和非常好的导电 性。采用石墨烯的超级电容器，其极限储能密度是现有材料的2-5倍左右，被称作最
2、外延生长法
外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。 碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表 面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重 构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。 金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入 到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面， 通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过 程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程， 即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多 为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。
四，石墨烯的应用
因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上， 石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最 好 的材料，电子在其中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。在塑料里掺入 百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入 千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。 在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材 料，用于制造汽 车、飞机和卫星。
石墨烯的简介与性质
碳的同素异形体： 零维（石墨稀量子点（GQDs），富勒烯） 一维（碳纳米管，石墨稀纳米带） 二维（石墨稀） 三维（石墨，金刚石）
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悬挂键 ：一般晶体因晶格在表面处突然终 止，在表面的最外层的每个原子将有一个未 配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键 称为悬挂键。
当石墨烯片具有有限的面积时,便形成了零维的 石墨烯量子点,这种量子点可以具有不同的几何 形状，如矩形，三角形和六边形等形状的量子 点,这几种量子点的边界可以完全是锯齿型或扶 手椅型。