石墨烯吸收系数与层数关系
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。
石墨烯在橡胶中的应用
石墨烯在橡胶中的应用赵慧江河北西姆克科技股份有限公司河北省石家庄050000 摘要：石墨烯是一种强度较高的材料，将其制备合成高性能的聚合物在工业生产中具有较高的应用价值。
随着我国各项事业的综合发展，工业制造领域对材料的要求越来越高，橡胶材料作为广泛应用于工业企业的一种常见材料，提高橡胶材料的性能就显得尤为必要了。
石墨烯与橡胶进行复合材料制备，能够显著提高传统橡胶材料的性能，提高材料的功能化，是我国橡胶材料发展的主要方向。
关键词：石墨烯；橡胶；合成；应用石墨烯作为纳米填料，其具比表面积更大和更强的作用力，优于传统材料的性能，将石墨烯用于提高传统橡胶材料的性能是当前我国工业生产的主要趋势。
目前，已知石墨烯的制备方法五花八门，本文就石墨烯的结构、合成方法、应用展望等进行探讨，旨在为石墨烯在我国工业生产中发挥最大价值提供一点理论帮助。
1石墨烯的结构2004年，英国科学家首次通过胶带机械剥离高定向热解实验得到石墨烯后，这一物质迅速在世界范围内引起了广泛的关注。
石墨烯为一种新型的二维原子晶体，由通过杂交连接的单个原子碳原子层组成，整体上呈二维六方晶格结构分布，单层碳原子之间紧密排列，如图1所示。
图1石墨烯的结构在首次制得石墨烯前，专家学者普遍认为石墨烯不会在任何的二维晶体结构中维持稳定性。
然而，研究表明石墨烯能够通过在表面上形成皱纹或通过吸附其他分子来维持稳定性。
严格的说，这是一种单层物质，对于双层以及多层石墨，由于其结构和性质与石墨有着明显的不同，因此有学者指出双层以及多层石墨在广义上来说也属于石墨烯的范围。
2石墨烯的合成方法石墨烯的合成制备方法大致上可以分成自下而上、自上而下两种。
2.1自下而上方法自下而上这种方法主要包括气相沉积法、碳纳米管转换法、化学转化法以及晶体外延生长法等。
其中，气相沉积法以及晶体外延生长法更多的是用来生产量少尺寸大、要求无缺陷的石墨烯，所以在一些基础的领域中应用较多，但是由于这种方法不能大量的进行石墨烯生产，因此当前我国工业领域对这种方法应用不多[1]。
亮剑-石墨烯的物理性质
二石墨烯其物理性质1、石墨烯材料的结构1-1、石墨烯的结构石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的炭材料。
石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。
碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。
碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。
碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。
单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。
其实这是一种习惯命名。
烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。
但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。
换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。
理想的石墨烯结构如图1A所示，具有正六边形蜂窝晶形结构的碳原子间以σ键相连，每一个碳原子由一个π轨道及一个核外电子共同组成了一个离域的大π键。
石墨就是由图1A所示的单层石墨烯堆积形成的层状材料，层与层间考范德华作用力连接。
2004年石墨烯在实验室被制备出来之前，相关研究认为石墨烯只能是一个理论上的材料，不能够单独稳定地存在，但2004年K.S.Novoselov等通过机械剥离法将高定向热解石墨层层剥离最终得到能稳定存在的单层石墨烯。
对此，J.C.Meyer等通过实验模型，并利用透射电镜对石墨烯结构进行了进一步的研究，揭示出了自由分散的石墨烯具有带波纹状结构的单层结构，波纹状层状高度落差为0.7-1.0nm左右，而横截面长度为8-10nm左右，如图1B所示。
石墨烯
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。
石墨烯光电子器件的应用研究进展
石墨烯光电子器件的应用研究进展李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【摘要】自2004年被发现以来，石墨烯因其卓越的光学和电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，备受学术界和工业界的广泛关注。
作为一种独特的二维原子晶体薄膜材料，石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。
一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出，已显示出优异的性能和良好的应用前景。
此外，近期石墨烯表面等离子体激元的发现及太赫兹器件的研究进一步促进了石墨烯基光电器件的蓬勃发展。
综述重点总结近年来石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器以及表面等离子体领域的应用研究进展，并进一步分析目前所面临的主要问题、挑战及其发展趋势。
%Graphene has very significant optical and electronic properties, which attract enormous attention. As a unique two-di-mensional crystal with one atom thickness, it has high electron and thermal conductivities in addition to ? exibility, robustness and impermeability to gases. Its ultra-broad band optical response and excellent non-linear optical properties make it a wonderful material for developing next generation photonic and optoelectronic devices. The fabrication of graphene-based devices is compatible with the existing semiconductor process, which has stimulated lots of graphene-based hybrid silicon-CMOS ( Complementary metal-oxide-semiconductor transistor) applications. Here we review the latest progress in graphene-based photonic and optoelectronic devices, ranging from pulsed lasers, modulators and photodetectors to optical sensors. Other exciting topicssuch as graphene surface plas-mons and their terahertz applications are also discussed.【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】28页(P329-356)【关键词】石墨烯;脉冲激光器;光调制器;光探测器;表面等离子体;太赫兹【作者】李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【作者单位】苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123【正文语种】中文【中图分类】TM9101 前言硅基光电子技术曾被寄希望于能够实现未来的超高速宽带数据通讯，然而，由于硅基器件目前面临着难以进一步微型化、集约化等问题，从而阻碍了其在高速、宽带数据计算和传输领域的应用。
石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
使光集中用于等离子体共振，从而使局部电场得到显著增强。在量子效 率方面得到巨大提高。但也会导致可操作宽带的范围减少。
② 整合量子点和石墨烯
用胶体量子点覆盖石墨烯可以获得具有能够获得具有 108 电子/光子的的超高光电探测和 107AW-1 的光响应的光电探测器。但由于需要长时间产生增益， 它们的运算速度也很低。
石墨烯等离激元学
由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前 景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场 强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波 长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点： ① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
过渡金属二硫化物光子学
过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re 这一类元素，X是硫元素。
TMDCs的层间相互作用是弱范德华力，而平面成键是强共价键。因此TMDCs 可以被剥离到类似石墨烯的薄膜结构，显著地扩展了二维材料的材料库。一 些二维的TMDCs，如钼和钨的硫化物，在多层的形式中有间接带隙，而在它们 的单层形式中成为直接带隙半导体。他们相当大的和可调带隙，不仅仅能产 生强的光致发光，也能打开像光电探测器，能量收集器，电致发光等光电器 件的大门。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光谱范围。另外，在 一些二维的TMDCs中已经证明了的奇异光学性质，如谷相干和谷选择性的圆二 色性，使这些材料非常有希望发现新的物理现象。
① 光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃 迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带 间跃迁；
石墨烯的结构及特性
石墨烯的结构及特性2004年,Science杂志首次报道了曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分离出稳定的石墨烯,并论述了石墨烯材料的基本性质他们关于石墨烯的研究被授予2010年诺贝尔物理奖,轰动世界,推动了石墨烯材料的研究,促进了石墨烯在物理化学材料生物医学和环境方面的研究石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是当前发现的唯一一种二维自由态原子晶体,是除金刚石以外其他碳晶体的基本结构单元,具有许多极佳的电子及机械性能,是当前使用的材料中最薄强度最大导电和导热性能最好的一种纳米材料”近年来,科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备研究转变到对石墨烯的应用研究,并对石墨烯在光电医学计算机晶体管等领域都进行了大量的研究,取得了较好的成果(一)结构石墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料,其点阵结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状,是构成其他石墨材料的基本单元,石墨烯主要分为单层石墨烯双层石墨烯少层石墨烯多层或厚层石墨烯4个类别石墨烯中每个碳原子之间都以很强的共价σ键相互结合,且相互成为120°的角度,其C—C键长大约为O.142nm,构成了特有的六角晶格,这种特殊的成键方式和结构使石墨烯成为史上最牢固的材料之一（二）导电特性石墨烯原子之间具有极强的相互作用力,在室温条件下,即使碳原子之间发生相互碰撞和挤压,石墨烯中的电子在轨道中移动时也不会发生散射,其电子受到的干扰也非常小,其电子迁移率可达到2x105cm2/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍,砷化镓的20倍,温度稳定性也较高,电导率可达108Ω/m,电阻约为31Ω/sq,比铜或银更低,是室温下导电最好的材料因此,石墨烯具有较好的导电性能（三）导热特性石墨烯的导热效应在高温时由光子传导,在低温时由其中的弹道传输所决定其热导率室温下是5000W·m-1·K-1,是硅的36倍,砷化镓的20倍,是铜在室温下的十倍多因此,石墨烯的导热性是目前已知材料中最高的,这使石墨烯在许多微热电器件等领域有非常广阔的应用前景（四）光学特性石墨烯有着极高的透明度线性光学性质:单层石墨烯的吸光率很高,对从可见光到太赫兹宽波段每层吸收2.3%非线性光学性质: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些特性使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器（五）机械特性目前在发现的强度硬度较高的物质材料中,石墨烯的强度是最大的,比钻石和钢铁还要强硬100多倍哥伦比亚大学对石墨烯材料强度硬度的研究发现,作为实验式样的石墨烯微粒在开始断裂前,其每100纳米距离上可以承受的压力高达2.9微牛这种结果表明,要使1米长的石墨烯断裂,需要施加55牛顿的压力也就是说,如果用石墨烯材料制备的包装袋,其能承受的最高压力为2t的重压,才能使石墨烯材料制备成的包装袋断开。
石墨烯的结构性能
石墨烯的结构性能摘要：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，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。
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石墨烯吸收系数与层数关系
一、引言
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的电学、光学和机械性能，在能源、电子、生物医学和材料科学等领域具有广泛的应用前景。
吸收系数是衡量材料吸收光的能力的一个重要参数，而石墨烯的吸收系数与其层数之间的关系一直是研究的热点问题。
本文将就石墨烯吸收系数与层数关系进行探讨。
二、实验方法
本实验采用化学气相沉积法制备石墨烯样品，通过控制石墨烯的层数，得到不同层数的石墨烯样品。
利用透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等技术对石墨烯的结构和形貌进行表征，并通过拉曼光谱仪测量石墨烯的吸收光谱。
通过分析不同层数的石墨烯在不同波长下的吸收系数，研究石墨烯吸收系数与层数之间的关系。
三、实验结果
实验结果表明，随着石墨烯层数的增加，其吸收系数呈现出先增大后减小的趋势。
在单层石墨烯时，其吸收系数最大，这是因为单层石墨烯具有最高的电子传输效率和最小的散射损失。
当石墨烯层数超过一定数量时，其吸收系数开始减小，这是因为多层的石墨烯会产生电子散射和带状结构，导致吸收系数降低。
四、讨论
根据实验结果，我们可以得出以下结论：
1. 石墨烯的吸收系数与其层数密切相关，单层石墨烯具有最高的吸收系数。
2. 多层石墨烯的吸收系数会随着层数的增加而降低，这是因为多层石墨烯会产生电子散射和带状结构。
3. 在实际应用中，可以通过控制石墨烯的层数来优化其吸收性能，从而实现更好的应用效果。
五、结论
本文通过实验研究了石墨烯吸收系数与层数之间的关系，发现单层石墨烯具有最高的吸收系数，而多层石墨烯的吸收系数会随着层数的增加而降低。
这些结论对于理解石墨烯的光学性能和开发其应用具有重要的指导意义。
六、参考文献
（此处列出参考文献）。