综述石墨烯传感器
基于石墨烯的拉曼光谱应变测量传感技术研究综述
概述 随着微纳米器件和材料尺寸逐渐变小的发展趋势，这些材
料和器件可靠性的研究成为重点，所以需要精确测量微纳米器 件和材料的机械性质与力学行为。微纳米材料和器件的机械 性能与材料的物理性质、尺寸效应、制造过程等密切相关。材 料的机械性能不能仅仅通过理论模型和数值仿真来描述，更需 要通过实验来对其机械性质和力学行为进行精确测量和评估。 对于微纳米尺度样品的机械性能的测量需要高分辨率和高准 确性的测量技术，但传统的机械性能测量技术不能满足以上的 需求，需要发展新的物理机械性能实验方法。在微器件制造过 程中不可避免会存在残余应力，包括制造过程中热学不匹配产 生的应力和材料晶格结构、掺杂或缺陷引起的本征应力，实验 中原位实时测量残余应力存在一定的困难，但这正是微器件制 造和可靠性分析的关键问题 。 ［１］
５６
技术与市场 ２０２１年 第２８卷 第７期
创新与实践
!" #$%&'( 5 #$%&3(
! )*+
& .,.
! ),+ ! )-+
4.-2/ #$%&3(
& .,+ & .-. & .-+
%*2- #$%&3(
! ))+
& .).
石墨烯材料在光电器件中的应用研究
石墨烯材料在光电器件中的应用研究随着科技的发展，新型材料被不断地研发出来并被应用在各个领域。
石墨烯材料作为一种新型材料，在科学界引起了极大的关注。
石墨烯材料的绝热性、导电性和透明度使其成为光电器件领域的一个重要材料。
石墨烯材料在光电器件中的应用研究已成为一个热点话题，本文将介绍石墨烯材料在光电器件中的应用现状及其未来的发展趋势。
一、石墨烯材料的基本概念首先，我们来了解一下石墨烯材料的基本概念。
石墨烯通常被定义为由一层碳原子所组成的二维纳米晶体，由于其特殊的结构及物理性质使其在科学研究领域吸引了广泛的关注。
石墨烯材料具有很高的光吸收系数、宽带电导率、极高的载流子迁移率等特点，这些特性使得石墨烯在光电器件领域中拥有广阔的应用前景。
二、石墨烯材料在太阳能电池领域的应用研究太阳能电池是一种将太阳能转化成电能的设备，而石墨烯材料在太阳能电池领域的应用研究也越来越受到重视。
一项研究表明，将石墨烯可以应用在太阳能电池中的各个方面，得以提高太阳能电池的效率和稳定性。
例如，石墨烯可以应用于太阳能电池的透明导电层、电极等方面，可以大幅提高太阳能电池的电荷传输效率和光吸收效率，同时还可以增强太阳能电池器件的稳定性和寿命。
三、石墨烯材料在显示器领域的应用研究显示器是人们日常生活中用到的设备，而石墨烯材料也可以应用在显示器领域。
一项研究表明，石墨烯在显示器领域可以作为一种非常有效的透明电极，在各种显示器设备中都有很大的应用前景。
例如，在 OLED 显示器中，可以通过石墨烯制成的透明电极大幅提高显示器的透光率和稳定性，进一步提高显示器的显示效果和使用寿命。
四、石墨烯材料在光电探测器领域的应用研究光电探测器是一种将光信号转化为电信号的设备，而石墨烯材料在光电探测器领域的应用研究也有着非常广泛的前景。
一项研究表明，石墨烯可以在光电探测器中作为一种非常有效的光电传感器，可以大幅提高光电探测器的灵敏度和响应速度。
同时，利用石墨烯可以制备光电探测器各种元件，越来越多的研究表明，石墨烯在光电探测器领域应用的前景非常广阔，未来一定会有更多的新型设备采用石墨烯材料来实现更加高效的光电转化。
石墨烯材料在生物体内的应用
石墨烯材料在生物体内的应用随着科技的不断进步，石墨烯作为一种新型材料，已经成为引领未来科技发展的主要趋势之一。
近年来，人们发现石墨烯具有复杂的物理和化学性质，在生物医学领域得到了广泛的应用。
一、石墨烯的特性石墨烯是由一层石墨相连而成的超薄晶体，其具有高强度、高导电性、高热导性、高表面积、超强的拉伸强度和电化学反应性等特殊的物理和化学性质。
因此，石墨烯是一个十分有潜力的材料。
二、石墨烯在生物医学领域的应用1. 生物传感器：石墨烯具有极高的表面积和导电性质，可用于制作高灵敏度的生物传感器，可以实现高灵敏的检测和分析。
2. 细胞成像：石墨烯作为一种有利于光学成像的材料，可以在生物体内被光源激活，发出不同颜色的荧光，可以用于细胞成像。
3. 药物传递：利用其高表面积，石墨烯可以被用作药物或其他生物大分子的载体，能够有效地传递药物到患者的身体内。
4. 细胞治疗：石墨烯可以被用于治疗癌症和其他疾病。
石墨烯可以被利用来引导由DNA和RNA构成的特殊分子以精确定位分子关键位置，这些关键位置是药物传递的有效靶点。
5. 细胞培养：石墨烯薄片可以用作细胞培养基底，具有良好的生物相容性。
同时，具有优良的化学和物理性质，对细胞的生长和发展是有益的。
三、石墨烯在生物体内的安全性问题虽然石墨烯具有很多有利的特性，但是在生物体内的安全性始终是一个有待解决的问题。
在使用中，要重视石墨烯的生物相容性，尽可能减少石墨烯对细胞和组织的损伤。
此外，在研究和开发新的石墨烯应用时，应具备先进的技术和科学实验室，并要严格控制石墨烯的制备、处理和使用过程中产生的毒性物质。
四、未来展望石墨烯在生物学领域的研究将是一个长期的课题，未来的应用范围将会更加广泛。
石墨烯可以被用于治疗各种疾病，特别是癌症。
虽然目前还存在一些未解决的安全性问题，但是相信未来随着科技的进步和研究的不断深入，石墨烯必将成为一种十分有潜力的医疗工具。
石墨烯场效应管生物传感器工作原理
石墨烯场效应管生物传感器是一种高灵敏度、快速响应、低成本的生物传感器。
它利用石墨烯的优异电子传输性能和生物相容性，结合场效应管的特性，可以实现对生物分子的高灵敏检测。
本文将从石墨烯的特性、场效应管的原理和生物传感器的工作原理三个方面，深入探讨石墨烯场效应管生物传感器的工作原理。
一、石墨烯的特性1. 单层结构：石墨烯是由一层厚度仅为一个原子的碳原子构成的二维晶格结构，具有极强的柔韧性和导电性。
2. 高电子迁移率：石墨烯的电子迁移率达到几千～上百万cm²/Vs，是传统硅材料的几百倍甚至上千倍，具有优异的电子传输性能。
3. 生物相容性：石墨烯具有良好的生物相容性，可以与生物分子发生特异性相互作用，用于生物传感器具有广阔的应用前景。
二、场效应管的原理1. 结构：场效应管是一种半导体器件，由栅极、漏极和源极构成。
当栅极施加电压时，可以调控漏极和源极之间的电流，实现电子的传输和放大。
2. 工作原理：当在栅极施加电压时，形成电场，调控半导体材料中的载流子浓度，从而控制漏极和源极之间的电流大小。
场效应管具有快速响应、高灵敏度的特点。
三、石墨烯场效应管生物传感器的工作原理1. 生物识别：利用石墨烯的生物相容性，将生物分子（如蛋白质、DNA等）固定在石墨烯表面，实现对生物分子的高选择性识别。
2. 信号转换：当待检测的生物分子与固定在石墨烯表面的生物识别分子结合时，会影响石墨烯的电子结构，导致场效应管栅极的电压发生变化。
3. 电信号检测：通过检测场效应管栅极的电压变化，可以实现对生物分子的快速、高灵敏的检测。
由于石墨烯的优异电子传输性能，使得传感器具有极高的灵敏度和检测速度。
石墨烯场效应管生物传感器利用石墨烯的优异电子传输性能和生物相容性，结合场效应管的特性，可以实现对生物分子的高灵敏检测。
其工作原理简单清晰，具有广泛的应用前景，可用于生物医学领域、环境监测和食品安全等多个领域。
相信随着科学技术的不断进步，石墨烯场效应管生物传感器将在生物传感器领域发挥越来越重要的作用。
石墨烯材料在纳米科技中的应用
石墨烯材料在纳米科技中的应用在当代科技中，有一种材料备受关注，那就是石墨烯。
石墨烯是由石墨单层组成的二维材料，由于其优异的电子、热学和力学性能，被认为是未来材料领域的重要发展方向之一。
特别是在纳米科技领域，石墨烯具有巨大的应用前景。
一、基础研究中的应用石墨烯作为一种新兴材料，其基础研究日益深入。
由于石墨烯的电子能带特性，石墨烯被广泛地用于制备新型的光电器件和传感器。
通过石墨烯的独特性能，科学家可以研究电子、光、热等波长的物理性质，为石墨烯的深入应用提供了坚实的基础。
二、纳米传感器的应用随着科技的不断发展，人们对于材料的性能要求也越来越高。
石墨烯作为一种新型纳米材料，在纳米传感器领域发挥着巨大的作用。
石墨烯传感器因其优异的电子、光学和机械特性，可以实现对于高灵敏度的气体、湿度、压力、生物分子等细小物质的检测。
这样的传感器在生物医学、环境监测、新能源等领域都有广泛的应用前景。
三、新型太阳能电池的应用由于石墨烯的独特性质，石墨烯还可以被用于制备新型的太阳能电池，这种电池拥有高效的光电转化性能。
使用石墨烯作为透明导电层，可以明显提高电池的光电转化效率和稳定性，并且石墨烯的可撕裂特性也可以降低生产成本。
因此，新型石墨烯太阳能电池具有重要的应用前景，并且在未来可以成为可再生能源的主要代表。
四、新型纳米器件的应用石墨烯具有高强度、高导电、高导热等优异性质，因此可以被广泛地用于制备新型纳米器件。
例如，通过在石墨烯表面加工纳米结构，可以制备出具有超大电容量和高电子迁移速率的石墨烯超级电容器。
此外，石墨烯还可以用于制备出各种新型纳米器件，例如石墨烯晶体管、石墨烯光电元件、石墨烯微波器件等。
总的来说，石墨烯作为一种新型材料，其应用十分广泛，未来石墨烯的应用前景十分看好。
虽然目前石墨烯的应用还处于起步阶段，但是相信随着科技的不断发展，石墨烯在纳米科技中的重要作用会越来越大。
石墨烯的研究与应用综述、产业现状
石墨烯的研究与应用综述一、石墨烯的结构与特性石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。
石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨等。
石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有一些奇特的物理特性：导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度能够达到光速的1/300，是世界上电阻率最小的材料。
良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，单层石墨烯的导热系数可达5300瓦/米水度，远高于金属中导热系数高的银、铜等。
极好的透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过。
超高强度：石墨烯被证明是当代最牢固的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。
超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
石墨烯特殊的结构形态，具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时具有很强的韧性、导电性和导热性，这些极端特性使其拥有巨大发展空间，应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法；化学法包括外延生长法、化学气相沉积法与氧化石墨还原法。
微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，不适合量产；取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀；加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯论文总结范文
摘要：石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行了综述，旨在为石墨烯材料的研究提供参考。
一、引言石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维晶体，具有优异的力学、电学、热学和光学性能。
自2004年石墨烯被发现以来，其研究取得了显著的进展。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行综述，以期为石墨烯材料的研究提供参考。
二、石墨烯的制备方法1. 机械剥离法：机械剥离法是制备石墨烯的一种简单、高效的方法。
通过将石墨片在金刚石针尖下进行机械剥离，可以得到单层石墨烯。
2. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种制备高质量石墨烯的方法。
该方法在高温下将碳源气体在金属催化剂上分解，形成石墨烯。
3. 水热法：水热法是一种制备石墨烯的新技术。
通过将石墨烯前驱体在高温高压下进行反应，可以得到高质量的石墨烯。
4. 微机械剥离法：微机械剥离法是一种基于微机械加工技术制备石墨烯的方法。
通过在石墨烯上施加应力，使其发生剥离，从而获得单层石墨烯。
三、石墨烯的特性1. 优异的力学性能：石墨烯具有极高的强度和韧性，是已知材料中最强的二维材料。
2. 良好的电学性能：石墨烯具有优异的电导率，是已知材料中最高的二维材料。
3. 热学性能：石墨烯具有优异的热导率，可以有效传递热量。
4. 光学性能：石墨烯具有优异的光吸收和光催化性能。
四、石墨烯的应用领域1. 电子器件：石墨烯具有优异的电学性能，可以应用于制备高性能电子器件，如场效应晶体管、晶体管等。
2. 能源存储与转换：石墨烯具有良好的电化学性能，可以应用于锂离子电池、超级电容器等能源存储与转换领域。
3. 光学器件：石墨烯具有优异的光学性能，可以应用于制备高性能光学器件，如光子晶体、光学传感器等。
4. 生物医学领域：石墨烯具有良好的生物相容性，可以应用于生物医学领域，如药物载体、生物传感器等。
五、结论石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
石墨烯及其材料综述
关于石墨烯和石墨烯复合材料的综述石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。
自从2004 年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的建设性创意，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。
石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。
它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅，石墨烯的结构，是由碳原子六角结构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。
它可以包裹形成0 维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管，同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
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，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
大量制备尺寸、厚度可控的石墨烯材料对石墨烯基材料的应用具有重要的意义。
制备石墨烯可以归结为两个基本的思路：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。
基于上述思想，化学剥离法、SiC 表面石墨化法和金属表面外延法等一些新的方法相继被报道。
本人通过大量的归纳总结，共总结出以下七种方法。
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(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG）表面剥离开来。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
石墨烯传感器
I介绍
石墨烯是一种二维结构的纳米材料，每个碳原子以杂化的方式形成六边形结构。
这是一种稳定的材料，有良好的机械拉伸性与电子属性。
基于石墨烯的纳米结构在传感器领域有极前景。
这是由于每个原子与感应环境相接触，且石墨烯的电学属性可以通过这种接触而改变。
石墨烯有着独特的物理属性，从而使得在很多传感领域有应用。
如光传感器，电磁传感器，应力与质量传感器以及化学与电化学传感器。
最初，高质量单晶石墨烯是通过机械剥离技术获取。
该技术仍旧在实验室精度的实验中提供最好质量的单晶石墨烯。
通过这种方法，在独立形式下样品的迁移率可达，尽管在表面捕获的迁移率在。
II石墨烯制备方法
A机械剥离法
机械剥离法即为用物理的方法破坏石墨层与层之间的结构，从而得到石墨稀。
物理意义上的石墨晶体，其实是由大量的石墨层通过德瓦尔斯力连接在一起，层与层之间的作用力巨大。
从外界施加物理作用力破坏石墨层之间的作用力。
这种方法首先高粘性胶从大块石墨样品上剥离出薄层，然后进一步剥离以减小薄层的厚度，直到可以被表面俘获。
如今使用这种方法可以获得毫米级别厚度的薄层。
图1是300nm表面获取的单层石墨烯薄层。
图1.在300nm表面机械剥离出的单层石墨烯层通过拉曼光谱中单层石墨烯的特征峰可以快速判定获得的薄层中所石墨烯的层数。
图2.是单层石墨烯、双层石墨烯以及数层石墨烯薄层的拉曼特征谱线。
由图可以看出单层石墨烯的2D峰很尖锐，辐值较大，而G峰较低。
通过2D峰
和G峰的强度比可以判断出层数。
还可以通过每个石墨烯层的量子化光吸收。
图2.基板上单层、双层与数层石墨烯的拉曼光谱图
B 化学剥离法
化学剥离法最简单的方式就是使用合适的溶剂例如N-甲基-吡咯烷酮。
在液体中使用声波降解法使得溶剂进入石墨层中，从而生成单层，多层的石墨烯，所得的单层石墨烯比例约为1wt%~12wt%。
还有有一些其他的剥墨的尝试，使用了不同的溶剂，取得了一些成功。
如层控制剥离法。
使用互卤化物嵌入物，随后溶解于表面活化剂中，可以生产出优秀的双层、三层石墨烯，有独特的属性。
然后可以使用密度梯度新发获取单层石墨烯，单层的比例可达80%。
还可以使用GO的亲水性进行层剥离，产生悬浊液，然后使用水合肼减少石墨烯上的GO。
此步骤后得到的石墨烯不够纯净。
目前研究的方向在于如何控制石墨烯层数与减少其上的缺陷。
C化学气相沉积法（CVD）
CVD方法可以以廉价、便捷的方式生产高质量的单层与数层石墨烯。
现如今已经在CVD方法上有许多成功的例子，这些方法使用转移金属基板，如Ni，Ru，Ir和Cu。
尤其是在铜表面的生长得到的石墨烯具有良好的器件特性，如低温下载流子迁移率可达，光的透射率>90%。
由于铜的价格昂贵，因此目前的CVD方法有许多已转向廉价的金属，如多晶的镍。
同时，在铜基板上的研究转向研究大面积生长与传导的最适宜条件。
在镍箔上生长出的石墨烯的迁移率可达，且具有半整数量子霍尔效应。
如今在镍基板上生长面临的问题是如何控制数十微米的邻近区域层的规整性。
D 碳化物分解
该方法是利用碳化物如SiC表层的热分解在Si基板上来生产石墨烯。
首先对在850℃下清洗20min，同时使用Si焊剂防止Si基板在高温下分解。
然后在超高真空与高退火温度下，SiC表面会经历多次重组，直到达到石墨化温度（Si表面为1350℃，C表面为1150℃）时表面会形成石墨烯层。
此时，前两层会被C钝化，随后的层才会显示出石墨烯的属性，并从基板上脱落下来。
图3.是（001）上生长的石墨烯的原子力显微镜图像，获得的石墨烯平均厚度为1.2层。
图3.（001）表面石墨烯的图像（退火环境为Ar，压强
=900mbar，温度=1650℃）
E 合成路线
如果视石墨烯为多环芳香烃，那么最大合成包括222个碳原子或37个苯环单元，以3nm直径形成的正六边形结构，以聚亚苯基为前驱物，它通过氧化环烷烃使之平面化。
这些结构表现出良好的自组装趋势，并可以作为潜在的合成更大石墨烯的前驱物。
8-12nm长，2-3nm宽的石墨烯纳米带，也可以通过分子前驱物的表面协助耦合形成的线性聚亚苯基与随后的环氢化作用来合成。
F 碳纳米管（CNT）分解
碳纳米管被认为是卷起的石墨烯阵列，如今的石墨烯纳米带（GNR）可以
通过解开CNT获取。
将CNT悬浮于浓硫酸中并使用500wt%的高锰酸钾在22℃下处理1h，随后在55-70℃下再处理1h。
第二种方式是对部分嵌入高聚物薄膜中的CNT进行离子刻蚀，从而将CNT转化为GNR。
III石墨烯的相关属性
最早在1946年就提出了石墨烯的电子结构。
石墨烯的导带呈锥形分布，在布里渊区呈对称分布，具有高度对称的K和K’对称点，如图4.。
在这些点附近，能量随动量线性变化，遵循线性色散关系。
此时的电子呈现准相对论粒子行为，且可以使用狄拉克方程描述。
石墨烯中电子速度约为，是光速的1/300。
在双层石墨烯中，两层之间的AB型堆积形成了碳原子的反对称性，从而出现两个亚晶格。
如果这种反对称性被破坏，那么价带与导带之间会在狄拉克点附近形成能隙（如图5.），这可以通过施加横向电场实现。
可以通过双栅配置对电子带隙与载流子掺杂浓度进行独立调节。
图4. 单层石墨烯能带结构图，在狄拉克点附近有线性色散关系
图5.（A）单层（B）对称双层（C）不对称双层石墨烯的电子结构。