石墨烯的结构与性能
石墨烯的性质及其应用前景
石墨烯的性质及其应用前景石墨烯是一种由碳原子组成的单层网格结构，它是一种非常特殊的材料。
石墨烯的独特性质，包括优异的导电性、热导性、力学性能和化学稳定性等，使它成为具有革命性的材料。
这篇文章将探讨石墨烯的性质及其应用前景。
一、石墨烯的性质1. 导电性石墨烯具有极高的电导率，可以将电子传输速度提高到几分钟之内。
由于石墨烯单层是具有零带隙的，其导电性能相当优异，几乎可以实现完美传输。
因此，可以将石墨烯用于建立电子传输设备和高频处理器。
2. 热导性石墨烯具有非常优异的热导率，在室温下，其热导率可以达到5000W/m * K, 而且随着温度的升高，石墨烯的热导率还会迅速增加。
这些优秀的热导性能使得石墨烯成为高效的导热材料，它可以用于制造高效的导热设备和电池。
3. 力学性能石墨烯具有非常优秀的力学性能，它的强度非常高，约为碳纳米管的100倍。
即使在非常高的温度下，石墨烯的强度也不会下降，这使得它成为一种特殊的 MEMS 设备制作材料，可以广泛应用于纳米机器人和纳米传感器。
4. 化学稳定性石墨烯的单层结构使其具有高度的化学稳定性，它甚至可以耐受强酸和强碱的侵蚀，这使得它非常适合用于化学工业领域，如催化剂、分离材料和电极。
二、石墨烯的应用前景随着对石墨烯的研究不断深入，石墨烯的潜在应用迅速被发掘出来，这些应用包括以下几个方面：1. 电子传输器件石墨烯的高导电性和低电阻率使其成为制造电子传输器件的理想材料。
例如，可以将石墨烯用于制造高速的场效应晶体管，在高速计算的应用中，石墨烯的优异特性无疑会扮演重要角色。
2. 纳米传感器由于石墨烯的高灵敏度和可控制的电学特性，它可以用作多种传感器，如压力传感器、生物传感器和光传感器。
此外，利用光电特性，石墨烯还可以制成纳米光电传感器。
3. 储能材料石墨烯可以被用作储能材料，这得益于它的优异电导性和热导性。
例如，可以利用其高效的传热性能将石墨烯用于新型高性能电池的制造。
4. 柔性显示器由于石墨烯的高透明度和高导电性，它可以被用于柔性显示器号等显示设备，这些设备具有更高的耐用性，并且非常适合使用在各种微型设备中。
石墨烯
发现历程
可惜的一步之遥
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Rodney Rouff层尝试着将石 墨在硅片上摩擦，并深信采用这个简单的办法可后的石墨烯，但 他没有对产物做进一步的检测 美国哥伦比亚大学的Philip Kim利用石墨制作了一个“纳米铅 笔”，在一个表面上画写，并得到了石墨薄片，层数最低可达0层
特性
电学性能
电子在石墨烯中传输不易发生散射，迁移率可达2ӽ 105cm2/ （V· s）,约为硅中电子迁移率的140倍。 其电导率可达106S/m,石墨烯的面电阻约为31Ω/sq，是室温 下导电性最佳的材料。
石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成大∏键， ∏电 子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，常温下， 及时周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子收到的干扰也小。
发现历程 发现历程
曲 折 的 六 十 年
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1947年Philip Wallace研究石墨烯电子结构 1956年J.W.McClure推到出相应的波函数 1960年Linus Pauling曾质疑过石墨烯的导电性 1984年G.W.Semenoff得出与波函数方程类似 的狄拉克方程 • 1987年首席使用“graphene”指代单层石墨烯 • Philip Kim利用石墨在表面上画写，得到石墨 薄片 • 2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov在实 验室用机械剥离法制备出石墨烯
石墨烯应用
石墨烯
电子器件 太光晶 阳学体 能器管 电件 池 复合材料 储能材料 石 墨 烯 纸 聚 合 物 基 石 墨 烯 复 合 材 料 锂电 离化 子学 电电 池容 器
石墨烯应用
石墨烯电池
西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班 牙科尔多瓦大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。一个锂电池 （以最先进的为准）的比能量数值为180wh/kg,而一个石墨烯电池的 比能量则超过600 wh/kg。也就是说，它的储电量是目前市场上最好 的产品的三倍。这种电池的寿命也很长，它的使用寿命是传统氢化电 池的四倍，是锂电池的两倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶 1000千米。而将它充满电只需要不到八分钟的时间。
石墨烯的导电性与热导率
石墨烯的导电性与热导率石墨烯是一种由单层碳原子以六边形网格结构排列而成的二维材料。
由于其特殊的结构和化学性质，石墨烯展现出了许多卓越的性能，特别是在导电性和热导率方面。
本文将探讨石墨烯的导电性和热导率，并进一步讨论其在未来科技应用中的潜力。
一、石墨烯的导电性石墨烯的导电性是其最引人瞩目的特点之一。
研究表明，石墨烯的电子传输速度是铜的140倍，是硅的650倍。
这是因为石墨烯中的碳原子只占据了二维空间中的一个平面，电子在其中可以自由移动而无需克服晶体中的损耗。
石墨烯的导电性还可通过其独特的带电载流子特性来解释。
石墨烯中的载流子被称为狄拉克费米子，其行为类似于相对论粒子。
这种特殊的带电载流子结构使得石墨烯具有高度的导电性和低电阻。
二、石墨烯的热导率与导电性类似，石墨烯的热导率也是非常高的。
研究表明，石墨烯的热导率可达到铜的3000倍，是目前已知的最高热导率材料之一。
这是因为石墨烯中的碳原子以类似于蜂窝状的结构排列，这种结构提供了很高的热传导通道。
另外，石墨烯的热导率还受到晶体结构中缺陷和谷物边界等因素的影响。
一些研究者通过控制石墨烯的晶格缺陷来调节其热导性能，进一步提高其热导率。
三、石墨烯的应用前景石墨烯的卓越导电性和热导率使其具有广泛的应用前景。
一方面，石墨烯可以应用于电子器件领域。
其高导电性使其成为高性能晶体管、光伏电池和超级电容器等器件中的理想材料。
此外，石墨烯的柔性和透明性还使其成为可穿戴设备、柔性显示器等新型电子产品的理想材料。
另一方面，石墨烯的高热导率使其在高温传热领域具有巨大的应用潜力。
石墨烯可以应用于热管理系统、热界面材料和传热器件等领域，以提高热能的传递效率和设备的散热性能。
除了电子器件和热管理领域，石墨烯还可以应用于化学传感器、生物医药领域等其他领域。
石墨烯的高灵敏度、高分辨率以及对生物相容性的优异性质，使其成为新型传感器和药物递送系统的理想选择。
四、总结石墨烯作为一种新型二维材料，具有出色的导电性和热导率。
石墨烯的介绍
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1 石墨烯的基本性质 2 石墨烯的制备方法 3 石墨烯的应用领域 4 结论与展望
石墨烯的介绍
石墨烯是一种由碳原子组成 的二维材料，它是单层石墨 的片状结构，具有极高的电 导率、热导率和机械强度
下面我们将详细介绍石墨烯 的基本性质、制备方法、应 用领域以及研究现状
CHAPTER 1
石墨烯的应用领域
能源领域
石墨烯的热导率和电导率都非常高，因此它在能源领域也有广泛的应用。例如，石墨烯可 以用于制造高效能电池和超级电容器等能源器件。此外，石墨烯还可以作为催化剂载体用 于燃料电池等领域
石墨烯的应用领域
生物医学领域
石墨烯具有良好的生物相容性和抗氧化性，因此在生物医学领域也有广泛的应用。例如， 石墨烯可以用于制造药物载体、生物传感器和成像试剂等生物医学器件。此外，石墨烯还 可以作为生物材料用于组织工程等领域
CHAPTER 3
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
石墨烯的应用领域
由于石墨烯具有优异 的物理和化学性质， 它在许多领域都有广 泛的应用。以下是石 墨烯的主要应用领域
石墨烯的应用领域
电子器件领域
石墨烯具有很高的电 导率，因此它在电子 器件领域具有广泛的 应用。例如，石墨烯 可以用于制造晶体管 、场效应管、太阳能 电池等电子器件。此 外，石墨烯还可以作 为透明导电膜用于显 示器等领域
CVD法
CVD法是一种常用的制备石墨烯的方法，它是通过加热含碳气体(如甲烷、乙炔等)在基底 表面形成石墨烯。这种方法可以制备大面积、高质量的石墨烯，但需要高温条件和复杂的 设备
石墨烯的制备方法
氧化还原法
氧化还原法是一种通过氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，再通过还原剂将氧化石墨还原成石 墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯质量较高，但需要使用化学试剂和复杂的工艺流程
石墨烯原理
石墨烯原理
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体结构，具有许多独特的物理和化学性质，因此被广泛应用于各种领域。
石墨烯的原理主要在于其结构和碳原子之间的化学键以及电子结构的特殊性质。
石墨烯的结构非常特殊，由一个层层叠加的碳原子构成，形成了一个类似于蜂窝状的结构。
这种结构使得石墨烯具有非常高的强度和柔韧性，同时也具有良好的导电性和热传导性。
这使得石墨烯在材料科学领域具有广泛的应用前景，可以用于制备高强度的复合材料，以及用于导电和散热的材料。
石墨烯的碳原子之间的化学键也非常特殊，采用sp2杂化轨道形成共价键，使得石墨烯具有非常好的电子传输性能。
这种特殊的化学键结构使得石墨烯成为一种理想的导电材料，可以用于制备高性能的电子器件，例如场效应晶体管和光电探测器等。
石墨烯的电子结构也具有许多独特的性质，例如具有零能隙的能带结构和线性色散关系。
这些特殊的电子性质使得石墨烯成为一种理想的二维材料，具有许多奇特的电子输运性质，例如量子霍尔效应和半导体-金属相变等。
总的来说，石墨烯的原理主要在于其独特的结构、化学键和电子结构的特殊性质，使得其具有许多优越的物理和化学性质，被广泛应用于各种领域。
未来随着石墨烯技术的不断发展和完善，相信石墨
烯将会在材料科学、电子器件、能源领域等方面发挥越来越重要的作用，为人类社会带来更多的科技创新和发展。
石墨烯结构
石墨烯结构石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
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[1]。
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，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，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，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收%的光"[4]；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10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[1]。
因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此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Å。
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轻型飞机材料等。
石墨烯的导电原理
石墨烯的导电原理石墨烯是由碳原子构成的单层二维材料，具有独特的结构和特性。
它是一种具有极高导电性的材料，其导电原理主要包括电子传输机制和费米能级调控两个方面。
首先，石墨烯的高导电性是由于其特殊的电子传输机制。
石墨烯由一个个碳原子构成，每个碳原子上有三个σ键与相邻碳原子连接，形成了一个六角形的晶格结构。
石墨烯中的碳原子之间的σ键非常稳定，而且由于存在共轭π键，使石墨烯形成了一个共轭的π电子系统。
这种共轭的π电子系统能够产生强烈的共振效应，使电子在石墨烯中能够自由传输。
在石墨烯中，碳原子之间的σ键尤其是π键的松弛很小，因此电子在石墨烯中的传输非常快速。
此外，由于石墨烯只有一个碳原子层厚度，电子在石墨烯中传输时不会受到晶格缺陷和杂质的干扰，同时也不会受到传统三维材料中的电子间相互碰撞的影响。
这些特性使得石墨烯的电子迁移率（电子在外加电场作用下的平均速度）非常高，达到了几十万平方厘米每伏特秒的量级，远远高于普通金属导体的电子迁移率。
因此，石墨烯具有极高的电导率（单位长度上通过的电流与电压之比），成为一种优良的导电材料。
其次，石墨烯的导电性还可以通过调控费米能级来实现。
费米能级是指在零温度下，材料中电子填充能够填充到的最高能级。
对于导体来说，费米能级需要位于材料的导带中，以使电子能够自由传播。
在石墨烯中，由于电子传输的特殊机制，费米能级处于价带和导带之间的临界位置，被称为费米能级点。
当石墨烯材料在外加电场或施加压力的作用下发生形变时，费米能级点的位置会发生变化，从而对电子传输性质产生重要影响。
当外加电场施加在石墨烯上时，电场作用使得费米能级点上下移动。
当费米能级点偏移至价带区域时，导带中的电子数目增加，从而增加了石墨烯的导电性能。
相反，当费米能级点偏移至导带区域时，导带中的电子数目减少，降低了石墨烯的导电性能。
因此，调控石墨烯的费米能级点位置可以实现对其导电性能的控制。
此外，石墨烯还具有一些特殊的导电性质。
石墨烯复合材料PPT课件
表面自带的亲水性基 团使得GO具有亲水性。 而亲水性不能使有机 溶剂渗入GO片层之间 的空隙，如要分散， 必须要表面改性。
亲水性 亲油性
氧化石墨烯的化学还原
氧化石墨烯还 原与否的矛盾
不还原导电 能力差
还原导致不 可逆凝聚
矛盾调和方法： 利用两性水溶性聚合物——聚对苯 乙烯磺酸钠（PSS）存在的情况下， 还原出稳定的石墨烯纳米片层的水
极强的力学性能：拉伸模量， 极限强度116GPa
2 1
优良的导电性，室 温下载流子迁移率 是硅的100倍
极薄极轻，厚 度为，比表面 积为2630m2/g
石墨烯的 优点
3
4
导热率为3000-
5000W/mK，与碳纳
米管相当
制备方法： • 机械剥离法
• 通过机械力从石墨晶体表面剥离石 墨烯片层
• 加热SiC法 • 加热单晶SiC脱除Si，在单晶（0001） 面上分解出石墨烯片层
Thanks!
Thanks!
石墨烯与诺贝尔奖
• 时间：2004年 • 地点：英国Manchester大学 • 研究员：康斯坦丁·诺沃肖洛夫（左）；安德烈·海姆 • 方法：Micromechanical Cleavage（微机械剥离）
石墨烯的结构
• 完美的石墨烯是二维的，由六角元胞构成。 • 是碳纳米管和富勒烯的基本单元
优良的增强体
相分散液。 右图是天然石墨，GO以及还原后 的GO的导电性能。
氧化石墨烯复合材料
• 常用聚合物基体：聚苯乙烯，聚苯胺等。
• 直接插层法
• 利用溶剂的作用或通过机械剪切等物理作用将聚合物分子插入具有 片层结构的GO，形成纳米聚合材料。
• 聚合插层法
• 预混合后加入引发剂引发聚合，热处理得到复合材料。