碳材料石墨烯简介
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sp 2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sp 2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sp 2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。
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。
碳材料、石墨、石墨烯科普知识介绍
碳与石墨介绍碳，生命之源，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，是构成人体最重要的元素。
碳：既是最硬又是最软的材料，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料。
石墨是碳的一种同素异形体，石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质互为同素异形体。
石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电、可塑性、涂敷性等特有的物理化学性能，广泛应用于冶金、机械、电子、电池、金刚石超硬材料、核工业、化工、轻工、军工、国防、石油勘探、航天及耐火材料等行业，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料。
石墨烯介绍石墨烯的发现：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，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯研究的热潮。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院授予他们俩诺贝尔物理学奖。
石墨烯：石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
单层石墨烯的厚度只有 0.335 纳米，相当于一根头发的20万分之一，1mm厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。
石墨烯几乎是完全透明的，透光率高达97.4%，具有优异的光学性能。
石墨烯作为一种人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，集光、电、力学性能于一身，开创了21世纪的新材料纪元，正在引领新材料领域的颠覆性革命。
石墨烯的性能：机械性能：石墨是矿物质中最软的，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度比金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲，能够拉伸20%而不断裂。
超薄性：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。
石墨烯简介
石墨烯1 石墨烯的概述石墨烯（Graphene，GE）是世界上最薄，最坚硬的纳米材料，也是其他石墨材料的基本单元，以碳六元环为基本结构组成周期蜂窝状的二维点阵结构，若翘曲便可成为零维的富勒烯，若将石墨烯卷成一维结构便成为碳纳米管(Carbon nano-tube,CB)，若是多层堆积便成为了三维的石墨(Graphite)。
石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料。
平面六边形点阵结构是石墨烯最理想的结构，可以认为是单层石墨分子被从三维石墨结构中剥离出来形成的二维分子结构，所有碳原子均为sp2杂化，并且每个碳原子上均多出一个p轨道上的电子形成大π键，这个π电子可以自由移动，因此石墨烯具有良好的导电性。
因此二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本单元。
由于特殊的结构石墨稀因此拥有了很多的优异的性能，首先在电学方面，由于大π键的存在，石墨稀具有优异的导电性能，如超高的载流子迁移率，室温量子霍尔效应，弹道输运等等；而在光学方面，石墨烯具有超高的透光率，其透光率能达到97.7%的惊人数据。
力学性能方面，石墨稀是已知的具有最高强度和硬度的晶体结构，热学方面，石墨烯具有优异的导热性能，其导热是铜的很多倍。
由于这些优异的性能使得石墨稀不但成为科学界一颗明星，而且使得其拥有了极其广阔的应用前景。
石墨烯为六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是由一种碳原子以sp2杂化轨道组成的，我们可以将它看成是其他石墨类材料组成的基本单元，所以石墨烯片在适当的条件下可以进行包裹和卷曲，分别可以形成零维和一维结构，层层堆叠起可以形成的是三维的石墨，零维和一维分别形成球状的富勒烯、管状的碳纳米管(见图1.1)；它们和仅为单一碳原子厚度的二维碳材料作为为重要成员组成了碳纳米材料家族，它们之间通过包裹、卷曲和堆积相互进行转化。
2004年，K.S.Novoselov 等以天然鳞片石墨为原料，制得二维六角形平面原子石墨烯的方法为机械力剥离法。
石墨烯材料简介
石墨烯材料简介在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。
作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。
碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。
但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。
由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。
关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。
在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。
在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。
以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。
但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。
这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。
每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。
这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28´。
得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。
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。
由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。
当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。
此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。
石墨烯简介
石墨烯的性质
电学特性：
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，石墨烯是具有零带隙的能带结构，其载流子可以使电子也可以是空穴
左图为石墨烯热导率测试方法，以 488nm 激 光加热，用石墨烯的拉曼光谱中 G 峰位移变化标 示石墨烯的温度变化，从而测得石墨烯热导率
Singh V, Joung D, Prog. Mater. Sci., 2011, 56, 1178–1271.
石墨烯的性质
其他性质：
单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g 边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性
场效应晶体管
石墨烯基晶体管：石墨烯加偏压成为半导体，作为晶体管源电极和漏电极之间
的通道；石墨烯无禁带，不能直接用于晶体管等逻辑元件，但可以采用将石墨烯制 成石墨烯纳米带、石墨烯量子点及双层石墨烯加偏压等方法使石墨烯禁带宽度不再 为 0 ，所用石墨烯有直接剥离的，也有 CVD 等工艺合成的，所用介电材料有 SiO2 、
以松香转移的石墨烯薄膜作为透明电极制备的大面积柔性OLED器件
大面积柔性OLED器件
上述研究结果于2017年2月24日在《自然-通讯》上在线发表（Nature Communications,
10.1038/NCOMMS14560, 2017）
DOI:
石墨烯的应用
传感器
由于氧化还原法制备的石墨烯（RGO）的边缘具有不同的功能，使其在电 化学传感器和生物传感器方面具有广泛应用前景，用RGO制备的场效应晶体管通 过其电导率、电容或掺杂物性能的变化对周围化学和生物环境变化做出响应
石墨烯简介
石墨烯的化学性质
类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱 附各种原子和分子。从表面化学的角度来 看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石 墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能 有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学 性质得到广泛关注，有一个不得不克服的 障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。 如果这一点未得到解决，研究石墨烯化学 将面临重重困难。
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。
石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢 铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出 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，石墨烯 则不同，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。
制备方法
微机械剥离法
化学气相沉积法
氧化还原法
溶剂剥离法
溶剂热法 其它方法
应用领域
纳电子器件方面
代替硅生产超级计算机
太阳能电池
光子传感器
基因电子测序
隧穿势垒材料
其它应用
石墨烯（Graphene）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。
石墨烯的一些物理性质
性质 数值
导热系数 电子迁移率
5300 W/m· K 超过15000
cm²/V· s
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 电阻率 约10-6 Ω·cm
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碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料，它可以形成世界上最硬的金刚石，也可以形成最软的石墨.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「’]和1991年发现的碳纳米管rz}均引起了巨大的研究热潮.2004年，英国科学家发现了由碳原子以Spzsp杂化连接的单原子层构成的新型二维原子品体一石墨烯(Graphe-
e)}，其基本结构单儿为有机材料中最稳定的苯六儿环
，是目前最理想的二维纳米材料.石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系，为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的增长点.2004年至今，关十石墨烯的研究成果己在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文，石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点。
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.。