纳米材料应用

英国曼彻斯特大学教授安 德烈·海姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫于2004年最早 制作出石墨烯，并因此共 同获得2010年诺贝尔物理 学奖
2020-07-08
透明胶带
HOPG
高定向裂解石墨
SiO2
Si
8
石墨烯基本特性图示
电阻率小
质轻 高机械强度和弹性
透明度高
石墨烯 的性质
结构稳定
导热性好
2020-07-08
准确地，应称为“载荷子”的性质和
相对论性的中微子非常相似---超强的
导电性
➢石墨烯的载流子迁移率高达２×１０
５ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１，其电子迁移率约 ❖利用石墨烯的高载流
为硅中电子迁移率的140倍。石墨烯是 子迁移率,低噪声
纳米电路的理想材料，电阻率为106Ω·m，比铜或银更低，是室温下导
制作的THz频率的晶体
➢石墨烯还是一种禁带宽度几乎为零 的半金属/半导体材料
➢近来，有实验示范:在室温，通过施加电压 于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨 烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV（大约5 微米波长）。通过施加外磁场，石墨烯纳米 带的光学响应也可以调整至太赫兹频域
➢只有具有禁带宽度才能成为合适的晶体管材料, 英国曼彻斯特大学研究,通过CVD,将两层石墨烯用一层钨硫化物(WS2)隔开,产 生2.1eV禁带宽度
电子传导速率最快
9
初步联想:性质--用途
2020-07-08
10
石墨烯性质总结
这种奇葩材料性质太多,尤其在涉及高等 量子力学及非线性光学,时间有限不能一 一列举啦!
2020-07-08
11
新材料发展三要素
1
新材料的设计与制备工艺
2
材料的分析与表征
3 材料的应用(产品器件)
2020-07-08
12
超大比表面积 2630m2/g 活性炭1500
光学性能:单层石墨烯在整个可见光直到红 外的波长范围内吸收2.3%的可见光，反射 0.1%的可见光（可以忽略）,与光波波长无关， 即透过率为97.7%.石墨烯高度透明
热学性质:石墨烯在室温下热传导率为4.84*103至
5.3*103W/mK。室温下铜的热导率的１０倍多,比金刚石的热传导
❖我国电子材料/元器件“基础薄弱，创新不足”， 已经成为制约民族信息产业发展的“瓶颈”环节。 “机理不清，瞎子摸象”，忽视分析技术的作用是 造成我国与先进国家存在较大差距的主要原因之一。
2020-07-08
15
现代分析测试技术的学术地位
❖分析测试领域--中国两院院士(34名 不全)
➢ 化学成分分析领域 12名 ➢ 电子显微和晶体结构研究领域 17名 ➢ 其他分析测试领域 5名
二 维 纳 米 材 料 及 应 用
2020-07-08
石墨烯 Graphene
类石墨烯半导体材料--过 渡金属硫化物 二硫化钼MoS2 二硫化铼 ReS2
1
碳元素材料结构完整体系
➢零维:C60 富勒烯 ➢一维:碳纳米管
➢二维:石墨烯 ➢三维:石墨 金刚石
2020-07-08
2
石墨烯结构 Graphene structure
➢石墨烯是由单层sp2 杂化碳原子组成
的六方点阵蜂窝状二维结构，石墨烯虽 呈二维结构，但它能稳定存在并且是不 平 的，而是波状的。在一个两层体系中， 这 种 起 伏 不 是 很 明 显 ，在 多 层体系中会完全消失。
2020-07-08
3
石墨烯结构
➢石墨稀是构成其他石墨材料的基元, 它可以翘曲(wrap up)成零维的富勒稀， 卷成(roll into)一维的碳纳米管或者堆 垛(stack into)成三维的石墨
❖与分析测试领域相关的诺贝尔奖
➢ 1901—2009年颁发的诺贝尔奖中，有57人因为在分析 科学领域的突出贡献而获此殊荣。其中化学奖26人， 物理奖31人。
2020-07-08
16
石墨烯的制备：
➢微机械剥离法
石
➢石墨氧化还原法
墨
碳纳米管横向切割法
烯
电化学还原法
微波法
的
溶剂热法
电弧放电法
制
液相剥离石墨法
2020-07-08
13
现代分析测试技术原理
2020-07-08
14
材料微观分析技术的作用—避免瞎子摸象
忽视现代微观分析技术的作用的后果 —对材料的介观特性和微观机理认识不深，致使我国信息功能
材料研究长期以来处于落后状态
❖ 发达国家对于材料/元器件研究无论是广度或深度都很 大，从基础材料研究到装备应用都集成了多学科、多门类 材料技术的成果，并得到了“技术群”的支持。现代分析 方法是其中重要技术之一。
电性能最佳的材料
管。理论上估计其工作
➢石墨烯可耐受1～2亿A/cm2的电流 频率可达到10THz
密2度020，-07这-08是铜耐受量的100倍左右。
7
wenku.baidu.com
石墨烯---2010诺贝尔奖: 透明胶带成就诺贝尔奖
强行将石墨分离成较小的碎片， 从碎片中剥离出较薄的石墨薄片， 然后用普通的塑料胶带粘住薄片 的两侧，撕开胶带，薄片也随之 一分为二。不断重复这一过程， 就可以得到越来越薄的石墨薄片， 而其中部分样品仅由一层碳原子构成
率（1000~2200 W/mK）要高，和碳纳米管的热传导率上限5800
W/mK相当。石墨烯优异的热学性能有利于其在电子方面的应用，
成为热量控制的最佳材料---散热材料
2020-07-08
5
石墨烯基本性质
❖ 力学性能:
强度与金刚石相当，,其断裂 强度 （强度极限）为42N/m2抗拉 强度和弹性模量分别为130Gpa和 1.0TPa.比同样厚度（～０．３３ ５ｎｍ）的钢的强度高１００倍。 同时具有良好的柔韧性,可弯曲
备
光照还原法
方
➢碳化硅热分解法
➢外延生长法
法
化学气相沉积法
形象陈述:“利用单层石墨烯制作的 吊床可以承载一只4kg的兔子”。还 有估算显示，如果重叠石墨烯薄片， 使其厚度与食品保鲜膜相同的话， 便可承载2吨重的汽车
2020-07-08
6
石墨烯基本性质
❖电学性能：
➢电子的运动速度达到了光速的1/300，
远远超过了电子在一般导体中的运动
速度。这使得石墨烯中的电子，或更
➢石墨烯具有异常的半整数量子霍尔行为。其霍尔电导为量子电 导的奇数倍，且可以在室温下观测到。
2020-07-08
4
石墨烯基本性质
密度：石墨烯中一个碳原子被３个正六边形碳环所
共用，一个结构单元中实际包含２个碳原子。六边形 的链长为0.142nm，由此可算出其石墨烯的面密度为 ０．７７ｍｇ／ｍ２--质轻,