氟化石墨烯性质

氟化石墨烯性质
氟化石墨烯性质

Properties of Fluorinated Graphene Films

Jeremy T.Robinson,*James S.Burgess,Chad E.Junkermeier,Stefan C.Badescu,Thomas L.Reinecke,F.Keith Perkins,Maxim K.Zalalutdniov,Jeffrey W.Baldwin,James C.Culbertson,Paul E.Sheehan,and Eric S.Snow

?

Naval Research Laboratory,Washington,D.C.20375

ABSTRACT Graphene ?lms grown on Cu foils have been ?uorinated with xenon di?uoride (XeF 2)gas on one or both sides.When exposed on one side the F coverage saturates at 25%(C 4F),which is optically transparent,over 6orders of magnitude more resistive than graphene,and readily patterned.Density functional calculations for varying coverages indicate that a C 4F con?guration is lowest in energy and that the calculated band gap increases with increasing coverage,becoming 2.93eV for one C 4F con?guration.During de?uorination,we ?nd hydrazine treatment effectively removes ?uorine while retaining graphene’s carbon skeleton.The same ?lms may be ?uorinated on both sides by transferring graphene to a silicon-on-insulator substrate enabling XeF 2gas to etch the Si underlayer and ?uorinate the backside of the graphene ?lm to form per?uorographane (CF)for which calculated the band gap is 3.07eV.Our results indicate single-side ?uorination provides the necessary electronic and optical changes to be practical for graphene device applications.

KEYWORDS Graphene,?uorine,per?uorographane,graphene ?uoride,functionalization

T

he ?uorination of sp 2carbon dates back decades,?rst with bulk graphite 1-3and later with buckeyballs 4and carbon nanotubes.5-7Graphite ?uoride attracted interest for technological applications such as lubricants,8and as a result,numerous experimental 3,9,10and theoret-ical 11,12studies exist describing its synthesis and properties.The basic building block of graphite ?uoride s referred to as graphite mono?uoride (CF)n or carbon mono?uoride s is in vogue again,due to the recent scienti?c and technological interest in graphene.13,14Beyond its potential for lubrication,?uorination of graphene enables its electronic properties to be tuned for modern electronics.In particular,band gap engineering through chemical modi?cation is attractive since it is both scalable and inexpensive.15Moreover,by analogy with ?uorinated carbon nanotubes,?uorination should also enable multiple robust reaction pathways for subsequent chemical modi?cation.In this work we describe a facile route to ?uorinate graphene,form large cm 2sheets of graphite mono?uoride (CF)n (referred to here as per?uo-rographane)and discuss their resulting properties.

A number of techniques have been used to ?uorinate sp 2carbon,including exposure to F 2gas at moderate tempera-tures (400-600°C)1,2and treatment with F-based plas-mas.16,17In the present work we combine advances in large-area graphene growth and ?uorine-based etching of silicon to ?uorinate graphene at room temperature.Xenon di?uo-ride (XeF 2)isotropically etches silicon and can ?uorinate carbon nanotubes.18We show that XeF 2is a strong ?uori-nating agent for graphene without etching,thereby providing a facile route for graphene functionalization.Characteriza-

tion of this process via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)and Raman spectroscopy reveals room-temperature ?uorination saturates 25%coverage (C 4F)for single-sided exposure and CF for double-sided exposure.Transport measurements show C 4F is signi?cantly more resistive (by a factor of 106)than graphene,which suggests the feasibility of patterning electronic pathways by removing conductivity as opposed to removing conductor.Finally,we also use density functional theory (DFT)calculations to show the C 4F structure is the lowest energy con?guration for single-sided ?uorination and that an appreciable band gap opens even at low ?uorine coverages.

Graphene ?lms were grown on Cu foils then transferred to either silicon-on-insulator (SOI)or SiO 2/Si substrates using techniques described by Li et al.19Transferred graphene samples were subsequently annealed up to 400°C in forming gas to further remove residues.20The graphene ?lms contain wrinkles as well as isolated multilayers cover-ing no more than 5%of the ?lm.19Graphene ?uorination occurred in a Xactix?XeF 2etching system,where XeF 2gas exposure times ranged from 30to 1200s at approximately 30°C.De?uorination was carried out using hydrazine vapor and mild thermal annealing between 100and 200°C using a system described elsewhere.21DFT calculations of the electronic and structural properties of these systems were made using a plane wave code 22with GGA with the PBE exchange-correlation,Vanderbilt ultrasoft pseudopoten-tials,23a kinetic energy cutoff energy of 300eV,and Brillouin zone sampling with a Monkhorst -Pack mesh.For un?uori-nated graphene,this approach gave the usual zero gap semimetal with a band crossing at the K point of the Brillouin zone.24It also gives a lattice constant a )4.65atomic units in agreement with experiment 25and with other calcula-tions.24

*To whom correspondence should be addressed,Jeremy.robinson@https://www.360docs.net/doc/e71857594.html,.Received for review:04/23/2010Published on Web:

07/16/2010

Exposing graphene to XeF 2gas results in ?uorine chemi-sorption,which dramatically changes the ?lm’s optical and electronic properties.Most immediately evident is a disap-pearance of optical contrast upon ?uorination,suggesting an insulating nature for ?uorinated graphene (Figure 1).Optical transparency and low conductivity also occur when bulk graphite ?uoride is formed from graphite,which ap-pears white 26due to scattering from interfaces within the bulk.In Figure 1A an as-fabricated graphene Hall cross structure shows three regions of optical contrast:single-layer graphene,bilayer graphene,and wrinkles in the ?lm.Upon ?uorination of the top surface to C 4F,contrast from the single-layer regions disappears and only that from the bilayer regions and the wrinkles remain (Figure 1B).Atomic force microscopy (AFM)con?rms the ?lm is not etched after XeF 2treatment (Figure 1B).The optical absorption of graphene is quantized with each layer 27,28and as the surface is ?uo-rinated here,absorption equivalent to single-layer graphene remains at the bilayer regions (Figure 1C).The complete loss of contrast for single-layer but not bilayer graphene indicates that ?uorine chemisorption occurs only at the surface and does not intercalate between layers under these conditions.We exploit this to pattern graphene ?lms with ?uorine as

shown in Figure 1D.Here,part of the ?lm was protected with photoresist during XeF 2exposure.

Due to its high electronegativity,?uorine induces strong chemical shifts in the carbon 1s binding energy allowing the use of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)to quan-tify composition and bonding type.Two types of samples were fabricated to characterize the ?uorination process:(i)graphene on Cu for single-side ?uorination and (ii)graphene on silicon-on-insulator (SOI)for double-side ?uorination.As mentioned earlier,XeF 2gas preferentially etches silicon.Pinholes in graphene that are naturally occurring allow the passage of XeF 2to etch the Si and ?uorinate the backside of the graphene ?lm (inset Figure 2A).Figure 2A shows the percent ?uorination for the single-side and double-side ?uorinated samples,as well as the percent silicon left in the top silicon layer of the SOI substrate during XeF 2exposure.Graphene on Cu is the “cleanest”system having no adventi-tious carbon contamination from adhesive tapes or PMMA.Under these ?uorination conditions the ?uorine content linearly increases (triangles in Figure 2A)with exposure time until 90s,after which the concentration saturates at 20atom %F (25%coverage or C 4F).This corresponds to one ?uorine atom per every two primitive graphene unit cells in graphene.We have made calculations for several single-sided peri-odic arrangements of ?uorine atoms on graphene for a number of different coverages.32Results for the binding energy per F atom 33for the con?guration with the lowest total energy for each coverage is shown in Figure 3A.The binding energy is largest for the 25%coverage (C 4F),which is consistent with the 25%coverage observed in experiment (Figure 2A).This con?guration is shown in Figure 3B and has F atoms at third nearest neighbor sites (resulting in isolated pi resonances),a con?guration shown to be favored for carbon nanotubes (CNTs).33However,unlike graphene,the minimum energy coverage for CNTs is C 2F,where the curvature of the CNT surface favors a close packing of ?uorine atoms that form “bands”along the tube axis.33,34

The ?uorination of graphene on SOI (preannealed at 400°C)proceeds to the same concentration as that on copper for the ?rst 90s of exposure,after which the ?uorine content increases and saturates at 50atom %(black circles in Figure 2A).This concentration corresponds to two ?uorine atoms in each unit cell and an empirical structure of CF.Simulta-neous to the sharp rise in ?uorine levels,XeF 2begins to etch the silicon underlayer (red circles in Figure 2A)as shown in the inset of Figure 2A.At this point,the backside of the graphene ?lm has access to XeF 2for ?uorination.XPS analysis of the carbon spectrum after ?uorine saturation at 50atom %shows the majority of bonding is C -F (~86%),with a smaller fraction of C -F 2(~12%)and C -F 3(~2%)(Figure 2C).The formation of C -F 2and C -F 3on graphene would occur at defects such as vacancies,free edges,or domain boundaries.We note the graphene transfer process can also introduce defects,and we observe larger quantities of C -F x (x >1)species for these samples compared to the

FIGURE 1.Optical changes of graphene upon ?uorination.Optical micrograph (A)before and (B)after single-side ?uorination on SiO 2(SiO 2thickness )100nm,scale bar )10μm).The expected etch rate of thermal SiO 2with XeF 2gas under these conditions is negligible (<0.1nm).29,30(B inset)AFM height image after single-side ?uorination.The height of the ?lm after patterning and ?uorination is ~1.0-1.5nm.(C)The green component of the RGB signal taken along the green line in (A)from top to bottom,recorded with a CCD camera.The small arrows in (A)and (B)mark the location of the bilayer regions shown in (C).Pro?les were taken at varying exposure times to XeF 2and after de?uorination (labeled above each pro?le).(D)A different graphene ?lm selectively pat-terned with ?uorine (note:image is contrast enhanced;dark central cross is graphene;light regions are partially ?uorinated

graphene).

?uorination of graphene on copper.Importantly,these multiply ?uorinated carbons will contribute more to nonre-versibilities toward a pristine graphene structure.During thermal de?uorination of doubly ?uorinated carbons,the products can evolve as C 2F 4instead of ?uorine alone.9

Changes in the Raman spectra also are dramatic during ?uorination.During single-side ?uorination,the character-istic disorder-induced peak (D peak)at 1350cm -1appears as ?uorine chemisorbs on the surface (Figure 4A).The ratio of the 2D peak (2680cm -1)to G peak (1580cm -1)drops signi?cantly,while both the D ′(1620cm -1)and the D +D ′(2950cm -1)peaks broaden,to the point where they overlap with the G and 2D peak,respectively.This transition s increasing D and D ′peaks,broadening G peak,and decreas-ing 2D peak s corresponds to a high degree of structural disorder.Indeed,after a 5min XeF 2exposure the Raman spectra look more like that from highly disordered or nano-structured carbon-based materials.35,36When ?uorinated to a concentration of 50atom %F,the Raman signature is almost completely quenched (Figure 4B).This indicates

FIGURE 2.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)analysis of ?uorine functionalization during XeF 2exposure.(A)Fluorine fraction for single (graphene/Cu)and double (graphene/SOI)side exposure to XeF 2for different samples.The silicon fraction refers to the percent silicon left in the top silicon layer of the SOI stack and was estimated by taking the ratio of the Si -Si peak area (99eV)to the Si -Si plus Si -O peak area (103.5eV)(panel E).(inset)Cartoon showing Si underlayer etching through a pinhole and edges in the graphene ?lm on SOI.Individual XPS carbon spectra from (A)are shown in (B)and (C).(B)XPS carbon spectra after XeF 2exposure of graphene on Cu.Several carbon -?uorine components are labeled.31(C)XPS carbon spectra after XeF 2exposure of graphene on SOI.(D)XPS carbon spectra illustrating de?uorination after hydrazine vapor exposure.(inset)Fluorine peak before and after 24h hydrazine treatment.(E)XPS silicon spectrum from (A)showing evolution of Si -Si peak during XeF 2etching.

FIGURE 3.(A)Calculated binding energy per F atom compared to the F 2gas state.(B)Sketch of the calculated C 4F con?guration for the 25%coverage from (A).(C)Calculated total density of states of single-side ?uorinated graphene for several ?uorine coverages.

FIGURE 4.(A)Raman spectrum of graphene during single-side ?uorination and de?uorination on SiO 2(λ)532nm).De?uorination via hydrazine vapor (24h at ~100°C)and thermal annealing (400°C for 1h in H 2/Ar gas)is shown for comparison.(B)Raman spectrum comparing graphene on SiO 2and per?uorographane formed on SOI.The spectra are offset for clarity.(C)Example of the resistance per square vs gate voltage curve for a typical graphene device exposed to XeF 2at different times.The 240s exposure nominally represents C 4F.(D)Resistance per square vs gate voltage of the device in (C)after exposure to hydrazine vapor for 18h.The hole ?eld-effect mobility (μFE )changed from μFE )1060cm 2/(V s)38to ~5cm 2/(V s)before ?uorination and after de?uorination,

respectively.

virtually no sp2coordinated carbon remains after double-side?uorination.For these experiments the small fraction of sp2domains that remain will mostly be constrained to multilayer regions,such as that observed in Figure1.

Calculations were made for the system with full?uorina-tion on both sides(CF),which has two F atoms per graphene unit cell,one on each side.The fully?uorinated system is an insulator with a band gap of3.07eV,in agreement with previous calculations.37It is a regular periodic structure,with different electronic properties than graphene and no defects. These properties are consistent with the absence of G and D features in the Raman spectra in Figure4B.

The Raman data of the de?uorinated material(Figure4A) show that graphene recovery is not complete,potentially due to carbon loss from the skeleton during de?uorination. Thermal reduction between300-400°C removes?uorine but also apparently loses signi?cant carbon as indicated by the relatively unchanged Raman spectra before and after de?uorination(Figure4A and Supporting Information).Car-bon loss is observed in bulk thermal de?uorination of graphite?uoride at400-600°C where carbon-?uorine products such as CF4,C2F4,and C2F6evolve from the material.39In contrast,we?nd chemical reduction via hydrazine vapor more effectively removes?uorine while retaining carbon.The reduction via hydrazine likely pro-ceeds as4CF n+n N2H4f4C+4n HF+2n N2,which suggests low temperature chemical reduction schemes will result in“higher-quality”recovery.5

The measurement of?eld-effect transistors(FETs)during the?uorination process shows the?lm resistance increases over6orders of magnitude with?uorination up to C4F. Figure4C shows the typical changes in the gate character-istics of a graphene FET after exposure to XeF2gas.The ambipolar behavior is still observed after a120s XeF2 exposure,though the Dirac point has shifted positive and the resistance increased3orders of magnitude.The exact origin of the positive Dirac point shift,from either intrinsic or extrinsic doping,is currently unknown since these samples were measured in air,where,for example,water and O2can unintentionally p-type dope graphene and decrease the electron mobility over the hole mobility.13,40After a240s exposure,the device resistance increased beyond the semi-conductor parametric analyzer range of>1G?.Importantly, regions protected from?uorination retain their original mobility and can be used for conductive pathways and devices.Exposing this same?uorinated device to hydrazine for18h restores much of the conductivity and the ambipolar behavior as shown in Figure4D.After de?uorination the FET mobilities typically ranged between4and20cm2/(V s), which is consistent with residual disorder seen from Raman spectroscopy(Figure4A).

Fluorine modi?es the electronic properties of graphene by reducing the charge in the conductingπorbitals,by introducing scattering centers,and by opening band gaps. These effects are consistent with the reduction of conductiv-ity and reduction of the mobility seen in experiment in Figure4C.Our density of states calculations for graphene with varying F coverages are shown in Figure3C.For increasing F coverage the band gap widens and the Fermi level is lowered in the valence band.These effects are due to interaction of the p orbitals of F with theπorbitals of C producing sp3bonds that modify the charge densities and introduce scattering centers for conduction.In particular,in the case of C4F(from Figure3B)the band gap is2.93eV and has theπbands largely disrupted,giving rise toπresonances surrounded by sp3bonded C atoms.Optical transparency is expected for a material with a2.93eV band gap,which is consistent with our observations in Figure1B.Together these results indicate that even a relatively low ordered coverage of?uorine can open an appreciable band gap in graphene. Therefore,single-side?uorination should be suf?cient to considerably modify the transport properties of graphene-based devices.

In conclusion,we have demonstrated the synthesis and facile patterning of?uorinated graphene via XeF2gas expo-sure.Spectroscopic techniques and atomic force microscopy show XeF2treatment?uorinates graphene without etching. Fluorination of the graphene lattice signi?cantly changes the optical,structural,and transport properties of the material. Fluorine adatom addition saturates at C4F for one-sided ?uorination,which is found to be the lowest energy con?g-uration from DFT calculations.The calculated band gap for C4F is2.93eV and experiment shows the material becomes optically transparent at this coverage.When graphene is deposited on a SOI substrate,XeF2etching of the Si under-layer allows XeF2access to both sides of the graphene?lm and formation of per?uorographane(CF).We expect the techniques described here to further broaden the graphene’s utility in electronic,optical,and sensing technologies. Acknowledgment.J.T.R.would like to thank R.S.Ruoff and X.Li for hosting a visit to The University of Texas at Austin and for fruitful discussions of graphene growth on copper and P.Campbell for assistance in fabricating devices and for a critical reading of this manuscript.This research was performed while J.S.B.and C.E.J.held a National Research Council Research Associateship Award at the Naval Research Laboratory.This work was supported in part by the Of?ce of Naval Research and NRL’s Nanoscience Institute. Supporting Information Available.Details of de?uorina-tion of graphene.This material is available free of charge via the Internet at https://www.360docs.net/doc/e71857594.html,.

REFERENCES AND NOTES

(1)Ruff,O.;Bretschneider,O.;Ebert,F.Z.Anorg.Allgm.Chem.1934,

217(1),.

(2)Palin,D.E.;Wadsworth,K.

D.Nature1948,162,925.

(3)Lagow,R.J.;Badachhape,R.B.;Wood,J.L.;Margrave,J.L.

J.Chem.Soc.,Dalton Trans.1974,1268–1273.

(4)Taylor,R.;Holloway,J.H.;Hope,E.G.;Avent,A.G.;Langley,G.J.;

Dennis,T.J.;Hare,J.P.;Kroto,H.W.;Walton,D.R.M.J.Chem.

Soc.,https://www.360docs.net/doc/e71857594.html,mun.1992,9,665.

(5)Mickelson,E.T.;Huffman,C.B.;Rinzler,A.G.;Smalley,R.E.;Hauge,R.H.;Margrave,J.

L.Chem.Phys.Lett.1998,296,188–194.

(6)Pehrsson,P.E.;Zhao,W.;Baldwin,J.W.;Song,C.;Liu,J.;Kooi,S.;Zheng,B.J.Phys.Chem.B 2003,107(24),5690–5695.(7)Bettinger,H.F.ChemPhysChem 2003,4(12),1283–1289.(8)Fusaro,R.L.;Sliney,H.E.ASLE Trans.1970,13(1),56–65.(9)Kamarchik,P.;Margrave,J.L.J.Therm.Anal.Calorim.1977,11(2),259–270.

(10)Kita,Y.;Watanabe,N.;Fujii,Y.J.Am.Chem.Soc.1979,101(14),3832–3841.

(11)Charlier,J.C.;Gonze,X.;Michenaud,J.P.Phys.Rev.B 1993,47(24),16162.(12)Zajac,A.;Pelika ′n,P.;Mina ′r,J.;Noga,J.;Straka,M.;Banacky ′,P.;Biskupic,S.J.Solid State Chem.2000,150(2),286–293.

(13)Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.;Zhang,Y.;Dubonos,S.V.;Grigorieva,I.V.;Firsov,A.A.Science 2004,306(5696),666–669.

(14)Geim,A.K.;Novoselov,K.S.Nat.Mater.2007,6(3),183–191.(15)Fuhrer,M.S.;Lau,C.N.;MacDonald,A.H.MRS Bull.2010,35,289–294.

(16)Khare,B.N.;Wilhite,P.;Meyyappan,M.Nanotechnology 2004,15(11),1650–1654.

(17)Felten,A.;Bittencourt,C.;Pireaux,J.J.;Van Lier,G.;Charlier,J.C.J.Appl.Phys.2005,98(7),No.074308-9.

(18)Unger,E.;Liebau,M.;Duesberg,G.S.;Graham,A.P.;Kreupl,F.;Seidel,R.;Hoenlein,W.Chem.Phys.Lett.2004,399(1-3),280–283.

(19)Li,X.;Cai,W.;An,J.;Kim,S.;Nah,J.;Yang,D.;Piner,R.;Velamakanni,A.;Jung,I.;Tutuc,E.;Banerjee,S.K.;Colombo,L.;Ruoff,R.S.Science 2009,1171245.

(20)Ishigami,M.;Chen,J.H.;Cullen,W.G.;Fuhrer,M.S.;Williams,E.D.Nano Lett.2007,7(6),1643–1648.

(21)Robinson,J.T.;Perkins,F.K.;Snow,E.S.;Wei,Z.;Sheehan,P.E.Nano Lett.2008,8(10),3137–3140.

(22)

Giannozzi,P.;Bonini,S.B.,N.;Calandra,M.;Car,R.;Cavazzoni,C.;Ceresoli,D.;Chiarotti,G.L.;Cococcioni,M.;Dabo,I.;Dal Corso,A.;Fabris,S.;Fratesi,G.;de Gironcoli,S.;Gebauer,R.;Gerstmann,U.;Gougoussis,C.;Kokalj,A.;Lazzeri,M.;Martin-Samos,L.;Marzari,N.;Mauri,F.;Mazzarello,R.;Paolini,S.;Pasquarello,A.;Paulatto,L.;Sbraccia,C.;Scandolo,S.;Sclauzero,G.;Seitsonen,A.P.;Smogunov,A.;Umari,P.;Wentzcovitch,R.M.J.Phys.:Condens.Matter 2009,21,395502.

(23)We used the pseudopotentials C.pbe-van_ak.UPF and F.pbe-n-van.UPF from https://www.360docs.net/doc/e71857594.html,.

(24)

Castro Neto,A.H.;Guinea,F.;N.M.R.;Peres;Novoselov,K.S.;Geim,A.K.Rev.Mod.Phys.2009,81,109–162.

(25)Peres,N.M.R.;Tsai,S.-W.;Santos,J.E.;Ribeiro,R.M.Phys.Rev.

B 2009,79,155442.

(26)Kamarchik,P.;Margrave,J.L.Acc.Chem.Res.1978,11(8),296–

300.

(27)Gaskell,P.E.;Skulason,H.S.;Rodenchuk,C.;Szkopek,T.Appl.

Phys.Lett.2009,94(14),143101–3.

(28)Nair,R.R.;Blake,P.;Grigorenko,A.N.;Novoselov,K.S.;Booth,

T.J.;Stauber,T.;Peres,N.M.R.;Geim,A.K.Science 2008,1156965.

(29)Winters,H.F.;Coburn,J.W.Appl.Phys.Lett.1979,34(1),70–

73.

(30)Dale,E.I.;Daniel,L.F.;John,A.M.;Vincent,M.D.Appl.Phys.

Lett.1984,44(12),1129–1131.

(31)Lee,J.-M.;Kim,S.J.;Kim,J.W.;Kang,P.H.;Nho,Y.C.;Lee,Y.-S.J.Ind.Eng.Chem.2009,15(1),66–71.

(32)For C 4F with 25%coverage,two arrangements of 2F atoms per

4graphene unit cells were considered;for C 2F with 50%cover-age,two arrangements of a F atom in 4unit cells were consid-ered;C 32F for 3.13%coverage has 1F atom in 16unit cells;C 128F for 0.78%coverage has 1F atom in 64unit cells.There is evidence that the electronics properties of the graphene systems are largely unaffected by the Cu substrate.41

(33)Ewels,C.P.;Van Lier,G.;Charlier,J.-C.;Heggie,M.I.;Briddon,

P.R.Phys.Rev.Lett.2006,96(21),216103.

(34)Kelly,K.F.;Chiang,I.W.;Mickelson,E.T.;Hauge,R.H.;

Margrave,J.L.;Wang,X.;Scuseria,G.E.;Radloff,C.;Halas,N.J.Chem.Phys.Lett.1999,313(3-4),445–450.

(35)Ferrari,A.C.;Robertson,J.Philos.Trans.R.Soc.London,Ser.A

2004,362(1824),2477–2512.

(36)Dresselhaus,M.S.;Jorio,A.;Hofmann,M.;Dresselhaus,G.;Saito,

R.Nano Lett.2010,10(3),751–758.

(37)Zhou,J.;Wu,M.M.;Zhou,X.;Sun,Q.Appl.Phys.Lett.2009,95

(10),103108–3.

(38)For the devices measured here the typical FET mobilities were

~1000cm 2/V s,which is less than that originally reported for chemical vapor deposition graphene growth on Cu.19This dis-crepancy is likely due to the larger channel length here (15μm compared to ~2μm),where more defects such as domain boundaries and wrinkles are likely present.

(39)Kuriakose,A.K.;Margrave,J.L.Inorg.Chem.1965,4(11),1639–

1641.

(40)Lohmann,T.;von Klitzing,K.;Smet,J.H.Nano Lett.2009,9(5),

1973–1979.

(41)Giovannetti,G.;Khomyakov,P.A.;Brocks,G.;Karpan,V.M.;van

den Brink,J.;Kelly,P.J.Phys.Rev.Lett.2008,101,No.026803.

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

神奇的石墨烯——石墨烯研究进展

神奇的石墨烯 ——石墨烯的研究进展 石墨烯简介 石墨烯(Graphene),又称单层石墨,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[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。 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10-6 Ω?cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,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),也可称为“单层石墨”。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. 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种,质料非常牢固坚硬,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。 既然石墨烯这么的神奇,有这么多的特性,那它的制备会不会特别难呢? 事实表明现在大规模的制造石墨烯还比较困难,但小规模的制造用于科研还是比较容易

石墨烯研究现状及应用前景

石墨烯材料研究现状及应用前景 崔志强 (重庆文理学院材料与化工学院,重庆永川402160) 摘要:近几年来, 石墨烯材料以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了轰动。本文引用大量最新的参考文献,阐述了石墨烯的制备方法如机械剥离法、取向附生法、加热 SiC 法、爆炸法、石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、球磨法等,分析了各种制备方法的优缺点。论述了石墨烯材料在透明电极、传感器、超级电容器、能源储存、复合材料等方面的应用,同时简要分析了石墨烯材料研究的现实意义,展望了其未来的发展前景。 关键词:石墨烯材料;制备方法;现实意义;发展现状;应用前景 中图分类号: TQ323 文献标识码:A 文章编号: Research status and application prospect of graphene materials Cui Zhiqiang (Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160) Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties. Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods. This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development. Keywords: graphene materials; preparation methods; practical significance; development status; application prospect 0 引言 1985 年英美科学家发现富勒烯[1]和1991 年日本物理学家Iijima 发现碳纳米管[2],加之英国曼彻斯特大学科学家于2004 年成功制备石墨烯[3]之后,金刚石(三维)、石墨(三维)、石墨烯(二维)、碳纳米管(一维)和富勒烯(零维)组成了一个完整的碳系材料“家族”。从理论上说,石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元,如果从石墨烯上“剪”出不同形状的薄片,进一步就可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管,堆叠成三维的石墨,如图1 所示[4]。由于石墨烯优异的电学、热学、力学性能,近年来各国科研人员对其的研究日益增长,已经是材料科学领域的研究热点之一。2010 年诺贝尔物理学奖揭晓[5-6]之后,人们对石墨烯的研究和关注越来越多,新的发现不断涌现。在不断深入研究石墨烯的制备方法和性质的过程中,其应用领域也在不断扩大。由于石墨烯缺乏带隙以及在室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率[7]等,在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料方面有着很高

多孔石墨烯材料的研究进展

多孔石墨烯材料的研究进展 摘要:多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点,具有独特的二维结构及优异的理化性质,是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求,且石墨烯片层容易堆叠和团聚,制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质,拓展并提升石墨烯的性能,对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物,多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。 关键词:石墨烯;杂化;石墨烯衍生物 引言 如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书,碳元素必将会跻身关键词之列:从碳基生命到无机碳素,从史前壁画到太空天梯,从钻木取火到蒸汽革命,再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶,碳的身影无处不在,不可替代。作为世界上最为普遍和奇妙的元素,碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。碳原子含有四个价电子,往往以sp,sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。以碳单质为例,碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼,不易单独稳定存在;sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高,化学修饰较困难;sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系,此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质,为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。 1石墨烯及石墨烯基材料 石墨烯即单层或少层石墨薄片,是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。2004年,曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯,两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。然而当我们认真地追根溯源时,会发现石墨烯并非一颗横空出世的新星,围绕石墨烯的讨论已经在科学界

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

. . .. . . 报告题目:石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息: 二、评分标准 1.格式规、容简明扼要。报告中引用的数据、观点等要注明出处20分 2. 报告结构合理,表述清晰20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、新(查阅5篇以上的文献)20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述(文献)全、新(查阅5篇以上的文献)20分 5. 心得及进一步的研究展望真实,无抄袭与剽窃现象20分 三、教师评语 请根据写作容给定成绩,填入“成绩”部分。 注1:本页由报告题目、书目信息有学生填写,其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作,要求见蓝色字体部分。 注2:“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写,不可用电子版。无“评语”视为不合规。注3:不符合规试卷需修改规后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质,也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳,也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构,属于天然矿

密封线 石。除石墨和金刚石外,碳材料还包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重 要的燃料。碳纤维在复合材料领域有重要的应用。20 世纪80 年代,纳米材料与技术获得 了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年,由60 个碳原 子构成的“足球”分子:C60被三位英美科学家发现。随后,C70、C86等大分子相继出现, 为碳家族添加了一大类新成员:富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构,它们的出现开启了 富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学奖。1991 年,由石墨层片卷曲 而成的一维管状纳米结构:碳纳米管被发现。如今,碳纳米管已经成为一维纳米材料的典 型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年,一位新成员:石墨 烯,出现在碳材料的“家谱”中。石墨烯的发现者,两位英国科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)于2010 年获诺贝尔物理学 奖。 关键词:碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 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。 2 石墨烯的制备 2.1 物理法制备石墨烯 物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料,通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得, 操作相对简单,合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。 2.1.1机械剥离法 机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法,即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt 等[1]于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯,验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下:首先利用氧等离子在 1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀,当在表面刻蚀出宽20 μm—2 mm、深 5 μm的微槽后,用光刻胶将其粘到玻璃衬底上,再用透明胶带反复撕揭,然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声,最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中,利用德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。 2.1.2取向附生法—晶膜生长

石墨烯材料的研究进展论文

石墨烯材料的研究进展 摘要:石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能,在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力,已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展,并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词:石墨烯;纳米复合材料;制备;应用 1,材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料,是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有60多年的历史,一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法,得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论,使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。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。石墨烯是构成石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。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 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 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;导热系数高于碳纳米管和金刚石,石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100 纳米),那么它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂,石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。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。 2,最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄,强度超大的特性,石墨烯可被广泛应用于各领域. 根据其优异的导电性,使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机,碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂,在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面,由

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2.6×102 m2 /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。

石墨烯复合材料应用最新研究进展

2019年3月第46卷第3期 云南化工 Yunnan Chemical Technology Mar.2019 Vol.46,No.3 doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2019.03.062 石墨烯复合材料应用最新研究进展 程扬帆 (湖北科技学院,湖北咸宁,437000) 摘要:介绍了石墨烯复合材料在国内外的应用前景及应用进展,着重介绍了利用石墨烯特性应用于电容储能、环境治理、导热散热性能和导电等多领域的研究。石墨烯复合材料的应用潜力巨大,具有非常广阔的市场前景。 关键词:石墨烯;复合材料;应用前景 中图分类号:TQ04文献标志码:A文章编号:1004-275X(2019)03-157-02 Recent Research Progress in the Application of Graphene Composites at Home and Abroad Cheng Yangfan (Hubei Institute of Science and Technology,Xianning,Hubei,437000) Abstract:This paper introduces the application p rospects and progress of graphene composites at home and abroad.It focuses on the application of graphene characteristics in capacitance energy storage, environmental management,thermal conductivity and heat dissipation,conductivity and other fields. Graphene composites have great potential and broad market prospects. Key words:Graphene;Compound material;Application prospect 1石墨烯复合材料及其应用前景 1.1定义与特性 石墨烯被称为“单层石墨片”。它是一种二维的结构,密集的碳原子与石墨的单原子层十分类似,是一种新型碳材料。石墨烯的多种优点造就它多种用途,比如它的比表面积大,可以用于吸附和环境治理;机械强度高可以用于航空航天等;载流子迁移率高可以用于半导体与电容等设备。应用的环境非常广泛,随着石墨烯新型材料国内外发展,石墨烯不但可以显著提升传统产业,还可以为高端制造业的发展提供推力。1.2国内外石墨烯复合材料发展趋势及应用前景 目前,世界上有很多关于石墨烯的讨论。2012年,有近2万篇关于石墨烯研究的论文被纳 入科学研究。中国和美国是前两个国家。与此同时,其他国家也积极参与石墨烯相关专利申请的布局。截至2013年6月,它已申请了3,000多项相关发明专利。从2006-2017年,国内和国际研究呈上升趋势。在“十一五”期间,石墨烯复合技术的发展还处于起步阶段,国内外研究的数量相对较少。在“十二五”期间,国外开展了研究,主要集中在石墨烯的制备和化合物的研究上。随后,石墨烯复合材料的研究进入了快速发展阶段。在过去两年中,研究数量已超过以前的总数。其中,国外研究数量急剧增加,工业化进程不断推进,国内则在重点领域不断扩展提升。 由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值,全球多个国家将其定义到发展战略高度。比如亚太地区的日本和中国,美国、以及欧洲欧盟等区域国家。这其中不少国家投入的研究和开发金额达到十亿美元,专门用来研究用于石墨烯材料。美国科技发展战略同样包括石墨烯技术。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局,相关开发和研究涉及多家公司,像比如洛克希德·马丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化学、索尼等巨头均在公司名单中[1]。 2石墨烯复合材料国内外应用进展 由于石墨烯具有多种独特的优点,将它作为复合材料的填充相,就可以增强材料的相应性能,这就为它的应用提供了多种方向。比如国内外相关研究应用于能量储存、液晶器件、电子器件,而在其他领域比如生物材料、传感材料和催化剂载体等也有较多的报道。随着对石墨烯复合材料研究的不断深入,它应用也越来越受到人们的重视。 2.1石墨烯储能复合材料应用 锂电池是当前用途最广泛的电池能源,锂电池整体性能提升的关键是开发新的电极材料。石墨烯作为一种新型碳质材料,加入到锂离子电池中能够大幅提高其导电性,因为它为锂离子电池解决了两个问题,大幅度提高能量密度与大幅度提高功率密度。相对应的,石墨烯就可以作为电池导电的添加剂了。国内也有报道将它作为复合电极材料的正负极[2]。 157--

石墨烯的性能与应用

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 《材料物理》期末论文 石墨烯的性能及应用 学院名称:数理学院 专业班级:应用物理学11-1班 学生姓名:邢俊俊 学号: 201111020026 2014年6月

石墨烯的性能及应用 摘要:石墨烯其貌不扬,其微片看上去就好像是棉花一样的黑色絮状物,可它为什么如此受追捧?答案其实并不复杂。因为它太轻薄了,只有一个原子厚度,却又非常坚硬。除此之外,它还拥有优秀的导热性、极低的电阻率。在轻薄坚固的同时,它还几乎是完全透明的。这些特性让研究者们能够创造出无限的可能性,无怪乎石墨烯横空出世之时业界震惊。 关键词:石墨烯、新材料、物质、科技 Abstract:Graphene does not seem good, its microchip looks like black cotton floc, but why it can be so popular these days? The answer is not complicated. Because it is so thin and only has one atom thick, it is very hard, however. In addition, it has excellent thermal conductivity and low resistivity. It is in strong light while almost completely transparent. These features allow the researchers are able to create infinite possibilities, no wonder when the industry turned out of graphene shocked. Key words: Graphene, new materials, substances, Technology 1、前言: 石墨烯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。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,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

姓名:学号: 20150700 密封线 报告题目:石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息: 二、评分标准

姓名:学号: 20150700 密封线

姓名:学号: 20150700 密封线 2. 报告结构合理,表述清晰 20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、 新(查阅5篇以上的文献) 20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述(文献)全、新 (查阅5篇以上的文献) 20分 5. 心得及进一步的研究展望真实,无抄袭与剽窃现象 20分 三、教师评语 请根据写作内容给定成绩,填入“成绩”部分。

密封线 注1:本页由报告题目、书目信息有学生填写,其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作,要求见蓝色字体部分。 注2:“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写,不可用电子版。无“评语”视为不合规范。注3:不符合规范试卷需修改规范后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质,也是构成生命有机体的主要元 素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳,也是最早为人们所熟知的两种碳的 三维晶体结构,属于天然矿石。除石墨和金刚石外,碳材料还包括活性炭、 碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重要的燃料。碳纤维在复合材料领域 有重要的应用。20 世纪80 年代,纳米材料与技术获得了极大的发展。纳米 碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年,由60 个碳原子构成 的“足球”分子:C60被三位英美科学家发现。随后,C70、C86等大分子相继 出现,为碳家族添加了一大类新成员:富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构, 它们的出现开启了富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学 奖。1991 年,由石墨层片卷曲而成的一维管状纳米结构:碳纳米管被发现。 如今,碳纳米管已经成为一维纳米材料的典型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年,一位新成员:石墨烯,出现在碳材料的“家 谱”中。石墨烯的发现者,两位英国科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和 康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)于2010 年获诺贝尔物理 学奖。 关键词:碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 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

石墨烯材料研究进展

石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要:石墨烯具有非凡的物理及电学性质,如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离,使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料,其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词:石墨烯制备应用进展 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,是构筑 零维富勒 烯、一维碳 纳米管、三 维体相石墨等sp2杂化碳(即碳以双键相连或连接其他原子)的基本结构单元,如图1所示。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,并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性,才引发石墨烯研 究热。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,人们发现,将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体,有着独特的载流子特性,为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径;电子在石墨 烯中传输的阻力很 小,在亚微米距离 移动时没有散射,具 有很好的电子传输 性质;石墨烯韧性 好,它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N [2],是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离,导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应,使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性,具体如图 2 [3]所示,日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯力学性能研究进展* 韩同伟‘贺鹏飞2,t骆英‘张小燕“ 江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013 2同济大学航空航天与力学学院,上海200092 3江苏大学化学化工学院,江苏镇江212013 摘要石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体,是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料.由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景,石墨烯被认为是具有战略意义的新材料,近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿.本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法,重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展,主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性,石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测,石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用,最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望. 关键词石墨烯,力学性能.分子动力学,缺陷 1引言 石墨烯(graphene),又称为二维石墨片,是由单层碳原子通过共价键(碳5pz杂化轨道所形成的二键、二键)结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体11-21,如图1所示,于2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首先发现[fll,是继富勒烯(Cso)和碳纳米管(CNTs)之后的又一种新型低维碳材料,其厚度仅为头发丝直径的20万分之一。约为0.335 nm,是目前发现的最薄的层状材料. 在石墨烯中,每个碳原子通过很强的0键(自然界中最强的化学键)与其他3个碳原子相连接,这些很强的碳一碳键致使石墨烯片层具有极其优异的力学性质和结构刚性.碳原子有4个价电子,每个碳原子都贡献一个未成键的兀电子。这些兀电子与平面成垂直的方向可形成二轨道,二电子可在晶体中自由移动,赋予石墨烯良好的导电性.但这些面外离位的二键与相邻层内的二键的层间相互作用远远小于一个6键,即片层间的作用力较弱,因此石墨层间很容易互相剥离,形成薄的石墨片.石墨烯的碳基二维晶体是形成sp“杂化碳质材料的基元,它可以包裹起来形成零维的富勒烯(fullerene, Cso),卷起来形成一维的纳米碳管(carbon nanotube, CNT),层层堆积形成三维的石墨(graphite),石墨烯是构建众多碳质材料的基本结构单元[[3J,如图2所示. 由于独特的二维结构以及优异的晶体品质,石墨烯具有十分优异的电学、热学、磁学和力学性能fl-$1,有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量存储等领域获得广泛应用.石墨烯是零隙半导体,具有一般低维碳材料所无法比拟的载流子特性,是其备受关注的重要原因之一石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克一费米子(masslessDirac Fermions)的模型体系,这种现象导致了许多新奇的电学性质因此,石墨烯为相对论量子电动力学现象的研究提供了重要借鉴.研究还表明,石墨烯的热导率和机械强度(5kW}m-1}K-1和1.06 TPa)可与宏观石墨材料相媲美,断裂强度与碳纳米管相当f7-sl.此外,石墨烯为制备集超高导电、导热及机械性能等各种优越性能于一体的新型功能复合材料提供了一种理想的纳米填料[fl。一’‘].因此,石墨烯被誉为新一代战略材料,近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿[2,1“一’51. 2009年12月,Science杂志将石墨烯研究取得新进展”列为2009年十大科技进展之一2010年10月,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁.诺沃肖罗夫因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖,由此引发石墨烯新的研究热潮.

石墨烯在锂电池中的应用研究

LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2015届本科毕业论文 石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 院(系)名称化学化工学院 专业名称化学工程与工艺 学生姓名雷丙丽 学号110644058 指导教师刘丰讲师 完成时间2015年04月

石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 摘要:石墨烯是单原子层紧密堆积的一种特殊石墨材料,在电学、热学、力学等方面具有独特的构造和优良的功能,可以发挥其重要的作用。因为石墨烯具有较高的电导率、超大的比表面积、高的化学稳定性等优良的化学和物理特性,所以它在锂离子电池材料中的研究引起了人们的广泛关注。文章不仅综述了石墨烯的结构和制备工艺以及改性方法,而且介绍了石墨烯作为锂离子电池材料的最新研究进展,还分析了石墨烯各制备和改性方法对锂离子电池材料的影响,并对石墨烯在锂离子电池材料中应用的发展趋势进行了展望。 关键词:石墨烯;锂离子电池材料;电化学 The application of graphene in lithium-ion battery materials research Abstract:Graphene is a single atomic layer close packing of a kind of special graphite material, such as electrical, thermal and mechanical aspects has unique structure and excellent performance, can play its important role. Because of properties of high electrical conductivity, large surface area, and chemical stability, graphene holds great promising for potential applications in electrode materials for lithium-ion battery, it is in the lithium-ion battery materials research has attracted widespread attention. Article summarizes the modification of graphene and graphene is introduced as a new research progress of the lithium-ion battery materials, graphene is analyzed the influence of the preparation and applications of graphene in lithium-ion battery material development trend is prospected. Keywords:graphene; the modification of graphene; lithium—ion battery material 1 引言 近几年来,为了进一步实现可持续发展,锂离子电池受到人们的普遍关注,世界

石墨烯的研究进展概述

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/e71857594.html, 石墨烯的研究进展概述 作者:兰耀海 来源:《建材发展导向》2014年第03期 摘要:由于石墨烯具有独特的结构和优越的性能,现己逐渐应用于电子材料、薄膜材 料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能材料领域。石墨烯复合材料是石墨烯应用研究中的重要领域,近年来已成为材料研究的热门领域。文章主要对石墨烯的物理化学性质、制备方法、石墨烯复合材料以及应用领域进行简单总结,并对未来石墨烯复合材料的发展做一展望。 关键词:石墨烯;复合材料;研究进展 1 石墨烯的物理化学性质 石墨烯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,是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,直到2004年,英国科学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,从而证实它可以单独存在。石墨烯具有特殊的单原子层结构和奇特的物理性质:强度达130GPa、热导率约5000J/(m·K·S),禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/(V·s),具有极高的透明度(约为97.7%)、表面积的理论计算值为2630m2/g,石墨烯的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)与碳纳米管相当,它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列优良性质。 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。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,只吸收大约2.3%的光。石墨烯的物理性能优越可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,这赋予石墨烯良好的导电性。 2 石墨烯的制备方法 自从2004年曼彻斯特大学的研究小组发现了单层及薄层石墨烯以来,石墨烯的制备引起学术界的广泛关注。由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定,而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯,这就要求寻找一种石墨烯的制备方法来满足日益增长的研究及应用需求。 目前石墨烯的制备方法主要划分为三类:第一类为化学剥离法,这种方法通过制备氧化石墨作为前躯体,使用化学还原,溶剂热还原,热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为

我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景

我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景 中国粉体技术网 2015-09-21 11:55:24 阅读(620) 评论(0) 声明:本文由入驻搜狐媒体平台的作者撰写,除搜狐官方账号外,观点仅代表作者本人,不代表搜狐立场。举报 导读:手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯这种二维碳材料引起l人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢? 手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。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,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖以来,石墨烯这种二维碳材料开始引起人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢? “重庆造“石墨烯安全手机获2万套订单 继今年3月全球首批量产石墨烯手机在重庆市问世后,“重庆造”石墨烯手机又有新产品。重庆墨希科技有限公司(以下简称重庆墨希科技)与重庆华森心时代实业公司(以下简称华森心时代)日前签订《石墨烯商务安全手机采购协议》,根据协议,华森心时代计划向重庆墨希科技采购价值3800万元的2万套石墨烯商务安全手机。 根据相关公告显示,这批石墨烯手机是符合国家保密局等保四级标准的硬件加密安全手机。其机型名为“LT521”,是一款5.5寸全高清屏的五模4G手机,采用了石墨烯触控屏、石墨烯导热膜及石墨烯电池,采购单价为1900元/套,配置方面与目前市场上主流的安卓智能手机差不多。据了解,华森心时代采购的这批手机将主要面向金融业、政府部门和商务高端人士销售。 今年3月,重庆墨希科技发布全球首批量产石墨烯手机时表示,由于采用石墨烯触摸屏、石墨烯电池和石墨烯导热

相关文档
最新文档