石墨烯基础学习知识简介.docx
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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。
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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。
少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由 3-10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ABC 堆垛， ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯（ Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少
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层石墨烯的统称。
由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积
在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在
8~10nm范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产
生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学
及光学性质也不同。
图 1.3 单层石墨烯的典型构象
除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式
的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过
一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯
的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。
2.石墨烯的性质
2.1 力学特性
在石墨烯二维平面内, 每一个碳原子都以σ 键同相邻的三个碳原子相连, 相邻两个键之间的夹角120°，键长约为0.142nm,这些 C-C键使石墨烯具有良好的
结构刚性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料, 其本征（断裂）强度可达130GPa,是钢的 100多倍 , 杨氏（拉伸）模量为 1100GPa。如此高强轻质的薄膜材料, 有望
用于航空航天等众多领域。
2.2 电学特性
石墨烯的每个晶格内有三个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。π 电子在平面内专业学习参考资料
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可以自由移动, 使石墨烯具有良好的导电性石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应，双极性电场效应，超导电性，高载流子率等优异的电学性质，其载流子率在室温下可达到 1.5 ×cm2. .。
电子能量
电子能量电子能量
导带
导带
禁
导带重叠
带带禁
价带
价带价带
图 2.1 绝缘体，导体，半导体的能带结构
图 2.2 石墨烯能带结构
2.2.1石墨烯能带结构
当绝对零度下，半导体的价带是满带（完全被电子占据）。当受光电或热激发后价带中的部分电子（石墨烯的电子运动速度高达m/s，是光速的1/300）越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电专业学习参考资料
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子后形成一个带正电的空位，成为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称为电
子- 空穴对，则电子，空穴能自由移动成为自由载流子。它们在外电场作用下
产生定向运动形成宏观电流，分别成为电子导电和空穴导电。
石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子 , 导致其在每个布里渊区有两个等价锥形
相交点 (K和 K′ ) 点，再相交点附近其能量于波矢量成线性关系
（ 2.1）E：能量， ?：约化普朗克常数，：费米速度，1*m/s，，分别是
波矢量再X-和 Y-轴的分量。因此，使得石墨烯中的电子和空穴的有效质量均为
零，所有电子，空穴被称为狄拉克费米子。相交点为狄拉克点，在其附近能量为
零，古石墨烯的带隙（禁带）为零。石墨烯独特的载流子特性和无质量的狄拉克
费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应和异常的半整数量子霍尔效应（当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面会出
现电势差）。表明了其独特的载流子特性和优良的电学性质。
石墨烯的室温载流子迁移率实测值达15000cm2/V·s(电子密度cm2)。
2.2.2石墨烯高迁移率的原因
散射机制
在一定温度下, 即使没有外加电场, 半导体中的大量载流子也在永不停息的
作着无规则的、杂乱无章的热运动。载流子在运动时, 便会不断的与热振动着的晶格或半导体中电离子的杂质离子发生碰撞, 使载流子速度的大小及方向发生改变。也就是说载流子在运动中受到了散射。当有外电场作用时, 一方面 , 载流子在电场力的作用下作定向运动; 另一方面 , 载流子仍不断的遭到散射, 使其运动方向
不断的改变。载流子就是在外力和散射的双重影响下, 以一定的平均速度沿力的方向漂移。
众所周知 , 在具有严格周期势场的晶体中, 载流子不会遭到散射。载流子遭到散射的根本原因就是这种周期势场被破坏。在实际的晶体中, 除了存在周期势场外还存在一个附加势场 , 从而使周期势场发生变化。由于附加势场的作用 , 就会使能带中的载流子发生在不同状态间的跃迁。例如, 原来处于状态的载流子遭到散射后以一定的几率跃迁到各种其他的状态。
晶体电子可看成是处于晶体原子所构成的晶格周期性势场之中的微观粒子，
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此势场的形式就决定了晶体电子的能
量状态能— 带。
此即意味着晶体电子的状态
（用电子波的波矢
k 表征）由晶格周期性势场决定，
即规则排列的晶体原子，
就
决定着由许多波矢
k 表征的晶体电子的状态。
动 因 为 量
载
性
，
因此，规则排列的晶体原子不
整的晶格周期性势场中运动的电子不会遭受散射。
势
流
大
场
子
小
会散射载流子。
只
散
为
是
射
波
规
决
长 就
概定
则
） 是
排
规
念晶
载
则
列
来体
了
发
的流
原
电理
子波都可以在晶格中很好地传播，从而相应的这些电子并不遭受散射。
某
生 晶
子
定解
子
一
改 体
构
传播的电子波的波矢，
正好是 Brillouin 区边缘的那种波矢
。状
而在晶体中不能
定
的
变 原
成
态
动
波
；而规则排列的原子构成的晶格周期
的
子
，因
（状态），即这种状态是不存在的。 在能 量上， Brillouin 区边缘就对应于禁带；
长
量
许
不
为
发
的
多
散
电而
带） 。因此，处于能 带中的晶
Brillouin 区内部的波矢所对应的就是容许带（能
电 生
晶
射
子不
改
子面
载
在会
体电子，不会受到晶格的反射，即不会受到晶体原子的散射。
都
变
流
引晶
足 Bragg 反射最大的条件、 而不能 传播以外， 其余的
可
也可以用电子波在晶体中的传播
，也就是波矢
k （ 晶体
体起
总之，规则排列的晶体原子、亦即相应的晶格周期性势场不会散射载流子。
以中状
反态的
可以想见， 不是规则排列的晶体原子、 亦即不是完整的晶格周期性势场就必将散射。运 故可以说， 在完
电动
射载流子。 换句话说， 在完整晶格周期性势场之上的任何附加势场， 对于晶体中子，
波
的载流子都将要产生散射作用。
，实
际
所以，电子在石墨烯中传输时不易发生散射， 表明石墨烯的主要散射机制是而上
各就
缺陷散射。可以提高石墨烯的完整性来增加其迁移率。
个是
反电
2.3 光学特性
射子
波
之在
单层石墨烯的透过率可从菲涅耳公式用于通用光传导的薄膜 材中料到得间晶
干体
涉中
，的除
而
其中，α =
αε
（ 2.2）≈ 1- α ≈ 97.7%（ 2.3）（π α ）
=≈，e是光子的电荷、C 为光速,α为精细结构常
α ε
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数。可见单层石墨稀对光的吸收率达到了 2.3%,对于多层石墨炼片, 可以看做单
层石墨烯的简单叠加, 每一层的吸收是恒定不变的, 随着层数的增加, 吸收也线性
增长。多层石墨烯的透过率为:T=（ 1-α）2。其中α=2.3%为单层石墨稀
的非饱和吸收效率,n 为石墨稀的层数。根据上式得出的多层石墨烯对光的吸收
率和层数的关系, 随着层数的增加, 石墨烯对光的吸收率也变大,10 层时吸收率
达到 0.207。吸收波长取决于能带间隙，即禁带宽度。因为石墨烯为零带隙结构，
理论上对任何波长都有吸收作用，另外，当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和，这一非线性光学行为称为可饱和吸收。
2.3.1 可饱和吸收原理
当强光照射到石墨稀上时, 石墨稀的吸收不再是线性的, 而是非线性的依赖
于光强 , 这个效应称为可饱和吸收。初始时（图 2.3 a）在光子的入射下, 价带上
的电子将吸收光子的能量跃迁到导带。这些电子经热化和冷却后形成热费米- 狄拉克分布。遵循泡利不相容原理，占据导带上最低的能量状态，热载流子能量降到平衡态，价带的电子也重新分布到低能量状态，能量高的状态呗空穴占据这个
过程同事伴随着电子- 空穴复合和声子散射（图2.3b）。对于c，当光的强度降低时，吸收系数与载流子的宽度呈递减关系。若光的强度足够大，电子被源源不断激励到导带，光生载流子将整个导带- 价带填满 , 阻碍光的进一步吸收, 对光表现为透明 , 带间跃迁被阻断此时石墨稀被饱和，光子无损耗通过。
可饱和吸收特性归因于两个主要原因，首先，石墨烯强烈的与波长无关的线
性吸收（ 2.3%）提供了吸收饱和调制深度的潜能。这种大的线性吸收来源于石墨
烯的独特的性能，包括石墨烯是二维无质量费米子和圆锥形的能带结构。第二，
石墨烯的激发态吸收的是动量禁止的，因此需要声子的辅助。激发态电子唯一的光子耦合过程过受激发射实现的。
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图 2.1（ a）电子有价带跃迁到导带，（b）费米‐ 狄拉克分布形成，（c）高强度入射光下光
生载流子引起饱和，阻止进一步吸收。
泡利不相容原理（Pauli’ s exclusionprinciple ）又称泡利原理，在费米
（电子）子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。
在原子中完全确定一个电子的状态需要四个量子数，所以泡利不相容原理在原子
中就表现为：不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数，这成为电子在核外排布形成周期性从而解释元素周期表的准则之一。
调制深度，是材料完全饱和时的反射率的最大变化，一般由可饱和的吸收体的材料和厚度决定。石墨炼的调制深度随着其层数的改变而改变, 这种简单的方法降低了制备难度和成本。单层石墨稀调制深度达66.5%，调制深度与石墨稀层数成反比关系, 可以通过控制其层数来调节调制深度。但是层数的增加也带来了
散射损耗和内部缺陷, 这些非饱和损耗带来了调制深度的降低。因此,需要合理的选择石墨烯的层数, 来优化锁模脉冲的性能。
弛豫，一个宏观平衡系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非平
衡状态，这个系统再由非平衡状态过渡到新的平衡态的过程。实质，系统中微观例子由于相互作用而交换能量最后达到稳定分布的过程。
当光能量足够大时, 电子的跃迁速率高于带间驰豫速率, 被吸收光子能量对
应的激发态之下的能态全部被填满, 同时价带顶也被价带上的空穴填满, 对光吸收达到饱和。石墨稀可饱和吸收过程中, 带间跃迁驰豫时间在0.4-1.7ps范围内 ,
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可起到启动锁模作用；带内载流子散射和复合驰豫时间在70-120fs范围内 , 可以
有效压缩脉冲, 稳定锁模 , 产生飞秒脉冲。
脉冲通常是指电子技术中经常运用的一种象脉搏似的短暂起伏的电冲击( 电压或电流 )。主要特性有波形、幅度、宽度和重复频率。脉冲是相对于连续信号
在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。就像人的脉搏一样。现在一般指数字信号，它已经是一个周期内有一半时间有信号。计算机内的信号就是脉冲信号，又叫数字信号。此外，脉冲也用来表示思想感情上的冲
动和要求。
锁模
锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮
秒（ 10负十二次方秒）甚至飞秒（10负十五次方秒）。该技术的理论基础是在激
光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这样产生的激光被称为锁相激光
或锁模激光。这些模式之间的干涉会使激光产生一系列的脉冲。根据激光的性质，这些脉冲可能会有极短的持续时间，甚至可以达到飞秒的量级。
在自由运转的激光器中纵模与横模同时震荡，模式之间无固定相位关系，无规则的相位关系干涉了谐振腔的纵模，造成了很强的扰动，如果谐振腔内有合适
的非线性器件，或者从外部驱动光调制器，这些无规则的扰动就可能装换成循环
在谐振腔中相位规则且功率很大的单脉冲。
第一种情况下，因为辐射本身与被动非线性器件共同产生周期性调制，导致轴向模有固定的相位关系，所以称为被动锁模。
第二种情况下，因为给调制器施加的射频信号提供了相位或频率调制而导致
锁模，所以称为主动锁模。
自锁模又称克尔透镜锁模(Kerr Lens ModeLocking(KLML))，是利用激活介
质本身的非线性效应对振荡光束进行强度调制、相位锁定，来实现锁模的，它不需要外加主动或被动调制的组件。由于晶体的克尔效应引起光学自聚焦作用，晶体的折射率随光强的变化而发生变化，晶体中的光束为高斯分布时，使晶体折射率由中心至边缘逐渐降低，形成自聚焦现象，晶体类似一个凸透镜，即克尔透镜。如果在谐振腔中随着强度增大而模尺寸减小的位置插入一个直径很小的光阑，就能获得可饱和吸收体的作用。锁模具有脉宽窄、结构简单等优点。
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但是自锁模激光器存在问题：一是不能自启动，只有得到外加的干扰信号才
能实现锁模，这样不利于激光器的正常运行，因此这就使它对任一外界的扰动等
非常灵敏，；二是泵浦源要求腔内功率密度足够高，过度的自调制将引起锁模的
不稳定，严重影响了固体自锁模激光器的稳定运转和广泛应用。
近年来，为了追求结构更加简单的锁模激光器，研究的焦点主要集中在和可
饱和吸收体锁模技术上。
锁模理论 : 在一个简单的激光器中，这些模式都是独立的振荡的，因此模式
之间没有固定地关系，就好像一组彼此独立、频率稍有不同的激光从激光器中同
时射出一样。每一束光的相位都没有固定，而且相位可能因为各种原因产生随机
的变化，例如激光器的工作材料的温度变化等等。在只有很少的几个振荡模式的
激光器中，模式之间的干涉会产生激光输出的拍频现象，这会引起激光强度的随
机波动。而在具有成千上万个模式的激光器，这些干涉现象会平均起来产生近似
常数的输出强度，这种激光的工作方式被称为连续波。
如果不允许模式独立振荡，而是要求每个模式与其他模式之间保持固定的相位，激光输出就会有很大的不同特点。这时的输出强度不再是随机性的变化或者
近似为常数，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，导致产生脉冲激光。这样的激光器被称为锁模或者锁相。这些激光脉冲的时间间隔为τ= 2L/c，其中τ是激光往返共振腔所需的时间。这个时间对应的激光器模式之间
的频率间隔，也就是Δν= 1/τ 。
脉冲的持续时间由同相振荡的激光的纵模数量决定。在现实的激光器中，并不是所有的激光纵模都会被锁相。如果相位锁定的模式数量为N，频率间隔为
ν，那么总的锁模激光带宽为NΔν，带宽越宽，激光发出的脉冲持续时间越短。在现实中，实际的脉冲持续时间还受到脉冲波形的影响，这个波形是由每个纵模的振幅与相位之间的关系决定的。例如，对于一个产生的脉冲时域波形为高
斯形状的机况起来说，其最短的脉冲持续时间t 为t=0.44/(N*Δν )其中的常数0.44被称为脉冲的时间带宽积，是一个与脉冲形状有关的常数。
对于超短时间激光脉冲，其脉冲形状通常认为是双曲正割平方，此时的时间带宽积为 0.315.
通过这个等式，我们可以根据激光的频谱宽度计算出最短的脉冲持续时间。
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石墨烯介绍
1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，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。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半
导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。
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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。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene ）：指由3-10 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ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少
石墨烯基本特性
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，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。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。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，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了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
碳纳米管;石墨烯;及碳纳米管-石墨烯复合材料
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1) 1.1 石墨烯简介 (1) 1.2 石墨烯的结构和性质 (2) 1.2.1 石墨烯的结构 (2) 1.2.2 石墨烯的性质 (4) 1.3 石墨烯的表征 (5) 1.4 石墨烯的主要制备方法 (6) 2 碳纳米管 (8) 2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8) 2.2 碳纳米管的结构和分类 (9) 2.2.1碳纳米管的结构 (9) 2.2.2碳纳米管的分类 (11) 2.3 碳纳米管的生长机理 (12) 2.3.1 顶部生长机理 (12) 2.3.2 底部生长机理 (13) 2.4 碳纳米管的性能 (14) 2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14) 2.4.2 热学性能 (14) 2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15) 2.4.4 光学性能 (16) 2.5碳纳米管的制备 (16) 2.5.1 电弧放电法 (16) 2.5.2 激光蒸发法 (17) 2.5.3 化学气相沉积法 (18) 2.6.碳纳米管的预处理 (19) 2.6.1 碳纳米管的纯化 (19) 2.6.2 碳纳米管的分散 (19) 2.6.3碳纳米管的活化 (20) 2.7碳纳米管的应用 (20) 2.7.1 在电磁学与器件方面 (20) 2.7.2 在信息科学方面 (21) 2.7.3 储氢方面 (21) 2.7.4 制造纳米材料方面 (21) 2.7.5 催化方面 (22) 2.8 存在问题及发展方向 (22) 3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22) 3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22) 3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)
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产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。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、碳纳米管总结
第四、五章总结 石墨烯、碳纳米管的化学生物传感 一、石墨烯和碳纳米管 1、石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。 2、碳纳米管是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp 2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 由于石墨烯和碳纳米管独有的结构和奇特的物理、化学特性，迅速成为备受瞩目的国际前沿和研究热点。 二、石墨烯和碳纳米管的制备 1、石墨烯的制备 （1）机械剥离法(机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨表面剥离开来。是制备石墨烯最为直接的方法。但低产率和尺寸不易控制等缺点使该方法仅适用于实验室的基础研究。) （2）氧化石墨-还原法(利用KClO 和HNO 可以使石墨层深度氧化，获得氧化石墨(GO)，GO与石墨烯具有类似的平面结构，以其为前体采用适当的还原方法可以使其表面的功能团消除，获得石墨烯材料。) （3）化学气相沉积法(采用一定化学配比的气体为反应物，在特定激活条件下，通过气相化学反应可在不同的基片表面生成石墨烯膜层。优点一、获得单层石墨烯比例大，二、结晶完整度高。缺点：成本高产量低。) 2、碳纳米管的制备方法 自发现CNTs以来人们尝试了多种方法进行制备研究，取得了一定的进展。如电弧法、激光蒸发法、催化裂解法等。在以上许多的制备方法中，有一个共同的特点，即产生小的碳(Cn)组分以使CNTs生长，从这一点来看，各种合成方法的区别在于产生碳组分的方法不同。电弧法和激光蒸发是由电极或靶蒸发产生的碳蒸气；催化裂解法是由碳氢化合物与催化剂相互作用产生的碳蒸气。 三、石墨烯和碳纳米管的功能化 所谓功能化就是利用石墨烯和CNTs在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯或CNTs表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。由于石墨烯和CNTs具有类似的结构，而且表面都含有羧基、羰基等含氧基团，因此对两者表面进行功能化的方法可以一致，即共价键合功能化和非共价键合功能化 四、石墨烯和碳纳米管在化学生物传感技术中的应用 1、石墨烯的应用 （1）基于其荧光效应LuCH等通过标记荧光染料的单链DNA吸附于氧化石墨烯上制备出一种复合物，进而用于目标单链DNA的检测。 （2）基于其载体作用Zhang Y等发展了一种制备Fe3O4纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的新方法，该复合材料可以实现磁靶向纳米药物输运等用途。 （3）基于其拉曼效应M.Manikandan等分别用原位合成和混合超声的方式
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。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10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ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
石墨烯碳纳米管散热涂料技术
石墨烯碳纳米管散热涂料技术 （1）项目背景 碳材料是目前人类认知的材料中功能最全、性能最优越、形式最多样的材料，是目前所有已知划时代材料所有不能比拟的，继硅时代之后21世纪甚至有望成为碳材料时代。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构， 每一次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有超强的力学性能和热传 导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6000W/m.K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3000W/m.K，是热导率最高的材料。同时，碳纳米管比表面积大，被誉为世界上 最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的 1.0。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送 密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料。 碳纳米管在功能涂料领域主要发挥以下主要作用： （1）导电填料：碳纳米管的导电阈值低至0.1wt%，而传统炭黑却高达15wt%以上，碳纳米管可以在极少量添加的情况下即达到目前炭黑型导电涂料的 性能，避免大量无机炭黑添加对涂料工艺性的负面影响。因此，碳纳米管在抗静电涂料、电磁屏蔽涂料、重防腐涂料等领域具有显著优势。同时还能利用其电致发热的作用，开发新型的节能加温、保温涂料，在家居地暖加温、仪器设备保温等新型市场具有极大的商业前景。 （2）散热填料：碳纳米管不仅具有超高的热导率，同时还具有接近理论黑体的辐射率，以此加强其红外辐射散热功能，因此新型散热涂料将有望改变目 前散热模式，大大提高热交换能力。 （3）力学增强填料：充分发挥碳纳米管一维结构的优势，在涂层内部形成增强网络，将使涂料力学性能大大提高，尤其是耐磨性、硬度等，甚至可形成
材料界一哥—— 石墨烯(五大应用领域)
材料界“网红一哥”——石墨烯 5大应用领域，产业浪潮开启看点：应用领域不断拓展，石墨烯大规模产业化即将开始。 石墨烯属于二维碳纳米材料，具有优秀的力学特性和超强导电性导热性等出色的材料特性，其下游应用主要涵盖基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。石墨烯的大规模商业应用方向主要分为粉体和薄膜，其中石墨烯粉体目前主要用于新能源、防腐涂料等领域，石墨烯薄膜主要应用于柔性显示和传感器等领域，其中来自新能源的需求超过 70%。 全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势。预计到 2020 年末，全球和国内石墨烯行业市场规模分别为 95 亿美元和 200 亿元，中国石墨烯市场规模约占全球石墨烯总市场规模的 30%，并有逐年提高的趋势。 本期的智能内参，我们推荐国信证券的研究报告，揭秘石墨烯的性能特点、产业链概况、下游需求和国内外行业现状。 本期内参来源：国信证券
1性能强大的新材料之王 石墨烯是 2004 年用微机械剥离法从石墨中分离出的一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，英文名为 Graphene，为一层碳原子构成的二维晶体。石墨烯与其他有机高分子材料相比，有比较独特的原子结构和力学特性。石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa，固有的拉伸强度为 130Gpa，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，被誉为“新材料之王”、“黑金”。 ▲典型的石墨烯结构图
▲ 单层石墨烯是其他碳材料的基本元素 石墨烯按照层数可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。按照功能化形式可以分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等。按照外在形态、又可分为片、膜、量子点、纳米带或三维状等。 ▲石墨烯分类 石墨烯具有超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔性和高强度等出色的材料特性。它的的应用领域非常广泛，主要集中在基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。
《石墨烯相关知识》word版
石墨烯 石墨烯（Graphene）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。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在 实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸 收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其 电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10- 6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料（仅限常温下，肯定 比不过超导）。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论 才能描绘。石墨烯被期待可用来发展出更薄、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。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢 晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的 graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯 内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶 格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时， 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常 温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。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 形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月， 佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并 观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路. 发现历史 在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。1948年，G. Ruess 和 F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微 镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像。
简述碳纳米管和石墨烯的成建构成
1、简述碳纳米管和石墨烯的成建构成？ 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)作为碳的第四种同素异形体，由于其准一维的管状纳米结构，以及独特的机械、电子传导、气体吸附等性质，越来越被人们所关注和研究，并已在多种领域得到广泛的应用。 2、碳纳米管的性能由直径D和手性角θ来确定。已知碳纳米管单胞的手性矢量为C=na1+ma2 ，试推导碳纳米管直径D和手性角θ表达式。当（n，m）为（8，0），（8,4），（8,3）时判断碳纳米管类型。 CNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定，而这两个参数又取决于两个整数n和m值，Ch=na1+ma2，a1和a2为CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致了不同的纳米管结构1,5。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。 根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。
与石墨烯相关的特征
1 拓扑绝缘体 自然界的材料根据其电学输运性质，可分为导体，半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面（如图a所示），半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中（如图b所示）。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态，这些无能隙的边缘激发处在禁带之中，并且连接价带顶和导带底（如图c，d所示）。从这个意义上讲，拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论，费米能落在晶体材料的带隙中时，材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体，存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体，当考虑存在边界的拓扑绝缘体时，将出现贯穿整个能隙的边界态，这些特殊的边界态和体系的拓扑性质（由体系的拓扑数决定）严格对应，因而只要不改变体系的拓扑性质，这些边界态就不会被破坏。 拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙，但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似，它的费米能级位于导带和价带之间，而在其表面存在一些特殊量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂志与无序的影响。 从广义上讲，可分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系；另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。 2半金属 semimetal halfmetal 半金属：介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看，金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的，电子能自由运动，有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带（又称价带），价带与导带之间的禁带宽度较大。
德国碳纳米管及石墨烯的发展概况
德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物，因为它们代表着更高的性能，更轻的质量，更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚，但随着其后续大量的投入，已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好，但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为：单壁碳纳米管（左），多壁碳纳米管（右） 随着行业对于材料性能的要求越来越高，传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩，而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知，碳纳米管（CNTs）和石墨烯（graphene）及其复合材料因其卓越的电气及机械特性，已经在诸多领域，如光电，传感器，半导体器件，显示器，指挥，智能
纺织品和能量转换装置（例如，燃料电池，收割机和电池）等，显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看，碳纳米管（CNTs）可以用作有机或无机半导体的替代物，但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而，碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域（电磁屏蔽除外），碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率，其材料还能呈现透明状，使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO，用于制作显示器，触摸屏，光电与显示母线和其他产品。经实验证明，碳纳米管的迁移率高于硅，这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外，碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备，如印刷设备，从而帮助提高生产工艺，并显著降低生产成本。碳纳米管还适用于制造超级电容器，其原理是通过利用电容和晶体管的功率密度来平衡电池的能量密度，从而达到弥合电池和电容器的差距的目的。 从目前发展程度来看，碳纳米管的最大挑战是材料纯度，设备制造，以及对其他设备材料（如适当的电介质）的需要。但毋庸置疑的是其无法超越的性能优点（比如高性能，灵活
石墨烯的应用领域
第二章石墨烯应用领域 石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。具体在五个应用领域：一是储能领域。石墨烯可用于制造超级电容器、超级锂电池等。二是光电器件领域。石墨烯可用于制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏、电子纸等。三是材料领域。石墨烯可作为新的添加剂，用于制造新型涂料以及制作防静电材料。四是生物医药领域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于药物载体、生物诊断、荧光成像、生物监测等。五是散热领域。石墨烯散热薄膜可广泛应用于超薄大功耗电子产品，比如当前全球热销的智能手机、IPAD 电脑、半导体照明和液晶电视等。 中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。目前，全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2500吨半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g ，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持了20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500吨的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。
正是在这一背景下，目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，具体应用如下： 2.1 石墨烯锂离子电池 锂离子电池具有容量大、循环寿命长、无记忆性等优点，目前已成为全球消费类电子产品的首选电池以及新能源汽车的主流电池。高能量密度、快速充电是锂电池产品发展的必然趋势，在正极材料中添加导电剂是一种有效改善锂电性能的途径，可大大增加正负极的导电性能、提高电池体积能量密度、降低电阻，增加锂离子脱嵌及嵌入速度，显著提升电池的倍率充放电等性能，提高电动车的快充性能。 所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作，而是在电池的电
中考基础知识梳理 全套
基础知识梳理：第一章打开物理世界的大门 第一章打开物理世界的大门 中考并没有单独考查本章的内容，常与力学、电学的实验与探究题综合考查。 探索之路 古文明中的科学思索 甲骨文“殷” 东巴文“晒干” 日月星辰“宇宙模型” 雕刻玉版“天圆地方宇宙观” 石头阵“古人观察天象” 物理学的进步之阶 哥白尼用“日心说”否定了“地心说” ________率先用望远镜观察天体运动，并支持“日心说” ________提出了相对论和玻尔等人的量子力学理论 ________发现苹果从树上落地，建立了万有引力，为物理学奠定了基础 科学探究 1．物理学是一门自然科学，科学探究的主要因素是提出问题、________、设计实验与制订计划、______________、分析与论证、评估、交流与合作。 2．物理学是研究自然界的________、________和________的自然科学。 3．大家要学习科学家的研究方法。在科学探究中，大家要学会________、学会猜、学会________、学会________、学会________，学会________，还要学 会________。 中考重难点突破 物理学家探索的成果 【例1】在探索之路上，有众多的科学家披荆斩棘，铺路架桥，为后人留下了果实丰硕的知识园地。下列科学家与其贡献不相符的是() A．哥白尼(日心说) B．牛顿(量子力学) C．爱因斯坦(相对论) D．伽利略(论证和宣扬“日心说”)
【解析】哥白尼用“日心说”否定了影响人类长达千年之久的托勒密的“地心说”，故A正确；量子力学的主要奠基人是普朗克·玻尔，而不是牛顿，牛顿是发现“万有引力”的先驱者，故B错误；“相对论”是爱因斯坦提出的，故C 正确；论证和宣扬“日心说”的科学家是伽利略，故D正确。 【答案】B 1.人类在探索宇宙，征服自然的过程中，涌现出许多杰出的物理 学家，他们的名字与其成就一同载入史册，被历代人所铭记，请用连线将下列物理学家与其对应的成就连接起来。 物理学家成就 (1)伽利略A．以其名字命名的运 动三大定律 (2)哥白尼B．提出“相对论” (3)牛顿C．驳斥亚里士多德的 落体观点 (4)爱因斯坦D．提出“日心说” 科学探究 【例2】海珠同学根据石头在水中下沉的现象想到：石头在水中可能不受浮力作用，并设计和进行了实验。上述过程中“石头在水中可能不受浮力作用”属于科学探究中的() A．提出问题 B．猜想与假设 C．进行实验与收集证据 D．分析与论证 【解析】科学探究的主要环节是：提出问题，猜想与假设，制订计划与设计实验，进行实验与收集证据，分析与论证，评估、交流与合作。“石头在水中可能不受浮力作用”属于科学探究中的猜想与假设。 【答案】B 【方法指导】“石头在水中可能不受浮力作用”和“石头在水中会受到浮力作用”均属于科学探究中的猜想与假设，猜想与假设既可能是正确的结论，也可能是不正确的结论。
2020年公务员考试常识积累：石墨烯
2020年公务员考试常识积累：石墨烯 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，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（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。 石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。 石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。 石墨烯材料定义 石墨烯联盟标准《石墨烯材料的术语、定义及代号》（T ／CGIA001-2017）定义了“石墨烯材料”的概念为：由石墨烯单独或堆垛而成的、层数不超过10 层的碳纳米材料。 制备方法 机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法、化学气相沉积法（CVD）。 性能 优异的导电、导热、力学和光学特性：单层石墨烯具有巨大的比表面积（2 630 m2／g）；高电子迁移率（~2×105 cm2／（V·s））；高热导率（5 000 W／（m·K））；超高机械强度（杨氏模量1.1TPa）；高透光率（~97.7%）；良好的化学稳定性。 力学特性
石墨烯的特殊性能
石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，
浅谈石墨烯的发展与应用
浅谈石墨烯的发展与应用 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。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。 一、Graphene的结构 Graphene是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接，由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。 在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子光谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。对于三及三以上数目的薄层，光谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 二、Graphene的性质 虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公