类石墨烯二维材料的研究进展-李江军-分子纳米结构与纳米技术
石墨烯研究进展及其应用现状
石墨烯研究进展及其应用现状王浩【摘要】作为一种新材料,石墨烯具有独特的物理结构特点和优异的应用性能,近年来石墨烯的应用研究占据重要的地位.综述了目前的研究现状和应用现状:综合分析其应用领域,由此分析石墨烯的综合价值和发展潜力,并根据石墨烯被确认的物理化学特性深入探讨其研究价值.【期刊名称】《精细石油化工进展》【年(卷),期】2018(019)005【总页数】4页(P51-54)【关键词】石墨烯;物理化学特性;应用;研究进展【作者】王浩【作者单位】西南石油大学材料科学与工程学院,成都610500【正文语种】中文近年来，石墨烯应用成果频频。
随着石墨烯应用的深入研究，石墨烯的物理化学特性也被进一步挖掘出来。
而前人的文章中也指出，关于石墨烯的研究成果，就关于它的文献数量来看，可以说是每天递增[1]。
而石墨烯本身，除了导电性、比表面积大等优越性能之外，更是因其原子级别的独特结构特性具有着量子性质的应用特性，如量子霍尔效应，使得其在导电性能微观层面上的表现更为独特。
本文通过对石墨烯的研究进展和应用成果的介绍，深入分析石墨烯的应用价值和应用前景，对石墨烯目前的研究进行综合梳理，并且介绍其在材料领域中的实际应用。
1 石墨烯介绍石墨烯，一般为单原子层结构，而特殊情况下，由于多维空间上形成的连接和接触，石墨烯本身的单层结构之间会形成一定的联系，形成第二种情况—多层石墨烯片层结构。
对于单层石墨烯结构，本质上为单层性质的石墨原子构成，但由于目前研究手段的有限性以及石墨烯单层晶体结构不同于其他晶体(晶体结构受热涨落影响而变化)的稳定晶体结构特性，目前人们似乎对其具体的结构尚且无法得知[1]。
也因为其晶体结构的稳定性，前人设计出一系列制备石墨烯的方法。
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。
从微观结构上理解，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格(类似苯环结构)的二维碳纳米材料，其结构特征被称为莫比乌斯环拓扑特征 [2]。
材料科学开创新纪元二维材料研究进展
材料科学开创新纪元二维材料研究进展二维材料是近年来材料科学领域的一项重要突破，其研究引起了全球科学界的广泛关注。
通过将材料纬度从三维降至二维，二维材料展现出了许多独特的性质与潜在应用，被认为是开启新材料纪元的重要一步。
本文将重点介绍二维材料研究的进展情况及其在材料科学领域的前景。
从石墨烯到更多二维材料的发现和研究，二维材料研究领域取得了巨大的进步。
首先，石墨烯作为二维材料的代表，由于其单层碳原子的特殊结构，具有高导电性、高热导性和高机械刚度等优异特性，被广泛研究和应用。
石墨烯的应用潜力包括电子器件、能源存储与转换、传感器等多个领域。
此外，除了石墨烯，还有许多其他具有独特性质的二维材料被广泛研究。
例如，二硫化钼（MoS2）是一种能带直接隙的半导体材料，在光电子器件和催化剂领域具有潜在应用。
二硒化镉（CdSe）和二氧化钛（TiO2）等半导体材料也被广泛研究，具有优异的光学与电子特性，被应用于光伏、光催化等领域。
随着二维材料研究的不断深入，科学家们发现了更多有趣的性质和应用。
例如，二维材料具有巨量子束缚态效应，这意味着其电子行为会受到限制而呈现出新奇的物理现象。
此外，二维材料还具有可调控性强、界面效应显著等特点，这些特性为二维材料在纳米电子器件、柔性电子学、光电子器件等领域的应用提供了无限可能。
在材料科学领域，二维材料的研究对于解决现有材料面临的难题具有重要意义。
例如，传统材料中存在的能带隙问题使得在光电子器件中的应用受到限制，而二维材料由于自身的特殊结构，能够提供更多可调控的能带结构，因而在光电子器件领域有着广泛的应用前景。
此外，二维材料还能够解决传统材料在柔性器件中存在的机械强度不足的问题，因为其单层结构具有出色的机械性能。
因此，二维材料在柔性电子学和可穿戴电子设备等领域也具有巨大的潜力。
另外，二维材料在能源存储与转换方面也有着广泛的应用前景。
例如，二维材料在锂离子电池领域的应用能够显著提高电池的能量密度和循环寿命。
二维材料研究进展与应用
二维材料研究进展与应用随着纳米科技的不断发展，二维材料作为纳米材料的一个重要分支，因其在光、电、磁、力学等性质上的独特优势，备受科学家们的关注和研究。
本文将从二维材料的基本特性、研究进展，以及在电子学、催化剂、生物医学等方面的应用等方面进行论述。
一、基本特性二维材料是一种由单层或几层原子组成的一维和三维材料之间的中间形式，具有很高的面积-重量比、高比表面积和强的量子大小效应，不同于三维结构材料，二维材料主要受表面能量所支配，所以表面和界面的性质对其性能和特性有着极大的影响，这也使得二维材料具备了一些独特的性质，具有重要的应用价值。
例如，石墨烯、硼氮化物、单层二硫化钼等二维材料，以其特有的带隙、声子谱、光学谱和导电性等，而受到广泛关注。
二、研究进展在二维材料领域，石墨烯是最具代表性的二维材料之一。
2010年，两位诺贝尔奖得主透过转移黏贴的方式，首次成功地从石墨中制备出石墨烯，这一切都是因为石墨烯的高导电性、高热导率和高强度等优异性能。
此后，石墨烯的制备方法也随之不断改进。
除了石墨烯，2H相和1T相的过渡金属二硫化物，在薄膜形式应用方面获得了巨大的成功。
这些二硫化钼的单层和几层具有半导体能带结构，这个结构的改变可以通过应变来调节，表明这些材料具有可调性半导体特性。
在二维材料的研究中，人工智能也为此做出了一定贡献，如数据驱动的模拟和机器学习的经验规律的发现等，加快了材料发现和材料设计的速度。
三、应用由于其独特的物理特性和结构特征，在人工智能、光电子学、力学和生物医学等许多领域中发挥着重要作用。
由于石墨烯在不同类型的电子器件中的高导电性和超薄性及其相关性质，常被应用于制造单层薄膜电容器、场效应晶体管、透明电极以及柔性电子器件。
其他实际应用包括传感器、质子交换膜、催化剂、能源转换储存和生命科学。
近年来，二维材料在表面催化领域的应用也越来越受到重视，二维材料具有很高的表面活性，可以极大地提高催化剂的反应能力，比如单层二氧化铜，因其光电催化作用在光催化、水分解、CO2还原等方面均表现出了优异的性能。
二维纳米材料新进展
二维纳米材料新进展近年来，二维纳米材料在材料科学领域取得了重要的突破和进展。
二维纳米材料是指具有近乎二维结构的材料，通常由原子、分子或者纳米颗粒组成，具有特殊的电子、光学和力学性质。
二维纳米材料的研究领域广泛，包括碳纳米管、石墨烯、过渡金属二硫化物等。
下面将介绍几个二维纳米材料的新进展。
首先，石墨烯是二维纳米材料中最为研究热门的一种。
石墨烯是由单层碳原子按蜂窝状排列形成的。
其特殊的结构赋予了其独特的电子输运性质，使其成为高性能电子器件和光电器件的理想材料。
近年来，人们对石墨烯的研究重点从材料合成扩展到了功能化和应用开发。
研究者们通过控制石墨烯的厚度、形状和结构，实现了对其电子结构的调控。
利用石墨烯的局域化表面等离子体共振效应，可以实现表面增强拉曼散射，从而提高材料的光谱灵敏度。
此外，石墨烯在能源领域也有广泛的应用前景，例如，石墨烯基薄膜太阳能电池和储能器件等。
其次，过渡金属二硫化物也是二维纳米材料研究的热点之一、由于其特殊的电子和光学性质，过渡金属二硫化物在电子器件、光电器件、催化剂以及储能领域有着广泛的应用。
近年来的研究表明，通过合成单层或多层的过渡金属二硫化物，可以实现对其性能的精确控制。
例如，研究者们通过对过渡金属硫化物的合成条件和结构进行调控，实现了从半导体到金属的相变。
此外，二维过渡金属二硫化物的表面电子结构可通过离子液体来调节，从而控制其在催化剂和能源材料中的应用。
另外，碳纳米管也是近年来备受关注的二维纳米材料之一、碳纳米管是由一个或几个碳原子层以圆筒形方式卷曲而成的纳米材料。
碳纳米管以其特殊的电子和力学性质，在电子器件、传感器和储能器件等领域有着广泛的应用。
近年来的研究表明，通过调控碳纳米管的结构和直径，可以实现对其电子传输性质的精确调控。
此外，研究者们还通过改变碳纳米管结构的外部环境，实现了对其吸附和催化性能的调控。
这些研究为碳纳米管的应用开辟了新的途径。
综上所述，二维纳米材料的研究已经取得了重要的进展。
二维材料的研究进展
二维材料的研究进展近年来，二维材料一直是材料科学领域的一个热门话题。
二维材料是指厚度只有数个原子层的材料，由于其独特的物理和化学性质，被认为是下一代电子学、光学和能源应用的基础。
本文将分享最近几年二维材料的研究进展。
1. 二维材料的研究历程石墨烯是二维材料的代表，其发现和研究可以追溯到20世纪60年代。
但是，由于其制备难度较大以及缺乏其他二维材料的研究，其应用受到限制。
近年来，随着石墨烯的制备技术的不断改进以及其他二维材料的发现，对二维材料的研究也得到了快速发展。
2. 二维材料的物理和化学性质与三维材料相比，二维材料具有很多独特的物理和化学性质。
首先，由于其厚度只有数个原子层，二维材料的表面积大大增加，导致了其表面反应性的增强。
其次，由于其成键方式和晶格结构的不同，二维材料也具有不同于三维材料的电学和光学性质。
例如，石墨烯是一种零带隙半导体，而由二硫化钼制成的材料具有较小的带隙，因此可以作为晶体管的电子传输材料。
此外，二维材料还具有很强的机械性能和热导率，这些性质被广泛用于能源和电子器件中。
3. 二维材料在电子学领域的应用二维材料被广泛应用于电子学领域，包括传统的半导体器件和新型低功耗电子器件。
其中最常见的例子就是基于石墨烯的场效应晶体管，其载流子在石墨烯中的高速移动性和高载流子浓度使其被认为是下一代电子器件的有力候选。
此外，由于二维材料具有很好的透明性和可弯曲性，其还可以用于柔性电子器件中。
4. 二维材料在能源领域的应用由于二维材料具有较高的热导率和强电子响应性，其在能源转换和存储领域也具有潜力。
例如，二硫化钼可以作为太阳能电池中的光伏材料，而石墨烯可以作为锂离子电池和超级电容器中的电极材料。
此外，二维材料在催化和化学传感器中也具有广泛的应用。
5. 二维材料的发展趋势未来，二维材料在能源、环境、生物医学和计算机科学等领域的应用将会变得更加广泛。
其中，除了石墨烯外，还有大量的二维材料被发现，并且这些材料具有多样的物理和化学性质。
二维材料研究的新进展和应用前景
二维材料研究的新进展和应用前景二维材料是指在一维纳米材料（如碳纳米管）和三维晶体材料之间的一类纳米材料，具有极高的表面积和极薄的厚度。
自2010年以来，以石墨烯为代表的二维材料引起了广泛关注，其优异的物理性质和极高的应用前景使得研究人员对其进行了大量的研究和探索。
在这篇文章中，我们将介绍二维材料研究的新进展和应用前景。
一、二维材料的研究进展1.发现新型二维材料随着二维材料的研究深入，越来越多的新型二维材料被发现。
比如，2016年科学家们发现了类似于石墨烯的二维材料黑磷，其具有天然半导体特性，拥有众多晶体相，因此被认为是一种有潜力的电子材料。
同时，二硫化钼（MoS2）、氮化硼（BN）等材料也被广泛研究。
2.多功能化操作通过调控二维材料的结构和性质，可以实现二维材料的多功能化操作，使其在不同领域展现出更多的应用价值。
例如，在能量转换和储存、生物传感器和医疗诊断、纳米电子器件等领域均有应用前景。
3.纳米尺度下的性质二维材料具有很强的表面效应和纳米尺度特性，其物理性质在纳米尺度下显示更加显著。
激发了研究人员对于二维材料性质的研究热情。
例如，二维材料的磁电效应、电子输运特性、机械性能等性质都受到了广泛的研究。
二维材料的一些独特物理性质可以为新型电子器件、传感器、能源转换和储存装置等领域的应用提供有价值的解决方案。
二、二维材料的应用前景1.纳米电子器件二维材料因其高电导率、强度高、热稳定性良好等特性，被广泛研究用于纳米电子器件的构建。
例如，石墨烯、MoS2等材料在晶体管、电荷耦合器件、掺杂转换器等方面均有广泛的应用。
2.能源技术二维材料在能量转换和储存领域也表现出极高的应用潜力，例如用于太阳能电池、氢氧化物燃料电池、储能器等装置。
3.生物医学应用由于二维材料具有表面积大、生物相容性好等特性，为这些材料在生物医学应用领域提供了巨大的潜力。
例如，二维材料用于药物递送、生物传感器等方面之研究成果已经初步展现出在多种领域的应用潜力。
石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展
石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展宋月丽;谈发堂;王维;乔学亮;陈建国【摘要】石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料.由于其独特的结构和新奇的物化性能,在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力,已成为纳米复合材料研究的热点.综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展,并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望.%Graphene is a new type of two-dimensional carbon nanomaterial, which has been discovered and synthesized in recent years. Graphene has great potential in terms of improving the thermal,mechanical and e-lectrical properties of its composites,which is also a new hot research area of nanocomposites,due to its unique structure and novel physical and chemical properties. In this article,advances in preparation and application of graphene nanocomposites were reviewed and future development of graphene nanocomposites was also proposed.【期刊名称】《化学与生物工程》【年(卷),期】2012(029)009【总页数】5页(P6-10)【关键词】石墨烯;纳米复合材料;制备;应用【作者】宋月丽;谈发堂;王维;乔学亮;陈建国【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074;平顶山学院电气信息工程学院,河南平顶山467000;华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】O613.71;TB33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碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。
二维材料的结构与性能调控
二维材料的结构与性能调控二维材料是指具有纳米尺度厚度，但在其他方向上具有宏观尺度的尺寸的材料。
最具代表性的二维材料是石墨烯，它由碳原子形成的单层六方晶格结构。
二维材料以其特殊的结构和独特的性能引起了广泛的关注，并在许多领域展现了巨大的应用潜力。
然而，想要调控二维材料的性能，需要深入理解其结构与性能之间的相互关系。
首先，二维材料的结构对其性能有着至关重要的影响。
以石墨烯为例，其独特的结构决定了其出色的导电性和热导性。
石墨烯中的碳原子排列呈六角形晶格，形成了平面内的密堆积结构。
这种结构使得石墨烯具有良好的电子传输性能，使其成为一种理想的导电材料。
而其他二维材料，如二硫化钼等，其结构也对其特定的性能起到决定性的影响。
因此，通过对二维材料进行结构调控，可以实现对其性能的调控。
其次，通过在二维材料中引入缺陷或掺杂的方法，也可以有效地调控其性能。
缺陷是指在二维材料中出现的原子缺失、杂质原子或晶格畸变等。
这些缺陷可以影响材料的电子结构和输运性质。
例如，在石墨烯中引入杂原子可以改变其导电性能，实现对电子的控制。
此外，通过控制缺陷的形成位置和密度，还可以调控二维材料的光学性能、磁性性能等。
因此，缺陷工程是一种常用的调控二维材料性能的方法之一。
除了结构调控和缺陷工程，通过外界的物理或化学手段也可以对二维材料进行性能调控。
例如，通过对二维材料施加压力，可以改变其晶格结构，从而影响其电子传输和力学性能。
此外，通过在二维材料表面引入不同种类的分子，可以实现对其化学性质的调控。
例如，在石墨烯表面引入有机分子可以改变其化学反应性。
这些外界手段的应用可以为实现二维材料的特定应用提供一种有效的途径。
另外，通过自组装技术也可以实现对二维材料结构和性能的调控。
自组装是指通过化学和物理相互作用使分子或纳米结构自发地形成有序的结构。
在二维材料中，利用分子自组装的方法可以实现对其结构的精确调控。
例如，通过表面修饰的方法可以控制二维材料的生长方向和晶格结构。
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类石墨烯二维材料的研究进展
报告人李江军
李江军:1988年3月出生于四川省，2011年7月西北大学本科毕业，2011年至今在中科院化学所分子纳米结构与纳米技术实验室研究生学习。
摘要内容(Introduction):
石墨烯是由单层碳原子所构成的二维蜂窝状结构的材料，是构成其它碳材料的基本结构基元，如三维石墨，一维碳纳米管及零维富勒烯。
从石墨烯最初的机械剥离到其优异的电学性能的发现，都引起了学术界浓厚兴趣。
根据报道，石墨烯还具有其它优异的性能，比如说2.3%的光谱吸收率，高的比表面积，高杨氏模量和优异的热电导性质。
目前，石墨烯在高速电子和光学器件，能源制造和存储，杂化材料，化学传感器及DNA序列测定中都已经得到了广泛的应用。
然而，由于单层石墨烯不具有带隙，原始的石墨烯在室温下不能用于构筑低储用功率损耗的逻辑电路，导致石墨烯场效应晶体管中的的电流开关比很小。
石墨烯在这一类中的应用前提是能够大量可控地生长石墨烯，因为石墨烯的层数和缺陷极大地影响了其传输性能。
机械剥离、溶液剥离，氧化石墨烯的还原，CVD法，表面偏析和分子束外延生长都为石墨烯的生长提供了渠道，但是精确控制石墨烯的层数和结构仍然具有一定的困难，因此石墨烯的生长工艺仍在研究中。
除此之外，
石墨烯的另一个重要挑战是其在光电应用中的硅基技术中的集成问题。
由于发现石墨烯独特的性质，二维材料如金属硫簇化合物，过渡金属氧化物及其它二维化合物等引起了学术界浓厚的兴趣。
其中，过渡金属二硫属化物具有三明治结构，中间的夹心层由金属原子（Mo,W,Nb,Re,Ni,V等）以六边形构成，上下两层由硫簇原子（通常是S,Se和Te）,形成了大约40种不同的材料。
除此之外还有层状过渡金属氧化物如MoO3,La2CuO4，绝缘体六角状氮化硼（h-BN）,拓扑绝缘体如Bi2Te3,Sb2Se3和Bi2Se3，其共同特点是可以进一步堆积成三维结构。
单层以内是依靠共价键连接的，而多层结构层间依靠的是范德华力来连接的。
这些材料覆盖的范围很广，从绝缘体到金属，显示了特殊的性质，例如拓扑绝缘效应，超导性，热电性等。
尤其是碳簇的类石墨烯二维材料硅和锗，已经从理论和实验方面取得了一定进展，表现出了与石墨烯相类似的性质。
由于二维材料具有独特的性质和高的比表面积，因此在光电，自旋电子学，催化，化学和生物传感，超级电容器，太阳能电池，锂离子电池中具有重要的应用。
研究表明将石墨烯建立在h-BN单层上（机械剥离），并以薄层h-BN作为顶部介电层构筑场效应晶体管，获得了与悬浮石墨烯相当的迁移率，该现象归因于h-BN的超平和纯净的表面。
与无带隙的单层石墨烯和具有一定带隙的双层石墨烯及复杂处理后的石墨烯纳米带相比，单层MoS2为直接带隙半导体材料，在数字电路和发光二极管中具有潜在应用价值。
例如，单层MoS2场效应
晶体管在室温下的开关比高达108，比石墨烯场效应晶体管要高很多。
尽管一维结构的半导体器件是可能实现的，但是它们在高场，可扩展的系统中的应用仍然受到很大的限制，这是因为一维材料的性质强烈依靠直径和长度的变化。
而二维材料可以避免这些限制，因为二维几何结构与器件的设计和构筑过程是兼容的，且已经在半导体工业中得到了应用。
通过传统的材料合成方法可以改变二维材料的尺寸和厚度，从而调节其光学和电学性质。
将二维层状结构晶体的厚度降低到单层或者几层，得到的类石墨烯结构的电学和光学性质可能会发生明显的变化，并表现出石墨烯所不具有的性质，如硅谷物理和量子自旋霍尔效应。
这使得类石墨烯二维材料成为一大研究热点，更多的研究工作将致力于类石墨烯材料的基础和应用研究。
参考文献：
[1]Mingsheng Xu. Graphene-Like Two-Dimensional Materials.Chem. Rev.2013,
3766−3798。