石墨烯研究报告PPT.ppt

1、人类目前最强功能材料人类目前最强功能材料-石墨烯石墨烯 比钻石还硬的材料比钻石还硬的材料-石墨烯石墨烯 一、一、石墨烯概念石墨烯概念 二、二、发展简史发展简史 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 四、四、制备方法制备方法 五、五、应用前景应用前景 六、六、石墨烯材料的诞生获得石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 七、国内生产状况七、国内生产状况 八、石墨烯实例八、石墨烯实例 目目 录录 一、一、石墨烯概念石墨烯概念： 石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。 第一：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10

2、0 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； 第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中 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。 石墨烯市场售价大约5000元/克，比黄金贵15倍，广泛 用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领域如超级电容 器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适 用于作为电极材料助剂。 石墨烯的来源。常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排 列的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易 互相剥离，形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，形 成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是碳的二维结构，厚

3、度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头 发丝那么厚。英国曼彻斯特大学的两位科学家科斯提亚 诺沃 谢夫和安德烈 盖姆因为首先发现石墨烯获得2010年度的诺贝 尔物理学奖。 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，比如超轻防弹衣，超薄超 轻型飞机材料等。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。 电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米 韩国成均馆大学和三星公司的研究

4、人员已经制造出由 多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。 石墨烯的材质优点总结：其导电性能比铜还好几倍； 坚硬比钢铁大10倍而且极轻，由此可见可用于飞机制造来 减少重量与避弹衣制造。 石墨烯的应用前景：太空电梯缆线、替代硅生产超级 计算机、光子传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池 等领域。 瑞典和美国的科学家使用神奇的石墨烯材料的发光面 板，总有一天也许会让基本的灯泡变成多余的。 薄得像纸一样的薄得像纸一样的iphone概念手机概念手机 二、二、发展简史发展简史： 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯 特大学的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发 现他们能用一种

5、非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特 殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这 样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳 原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新 方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。 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。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导 体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。

6、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，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能， 石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非 同寻常的优良特性。 普通电容器和超级电容器结构（超级电容器不同于电池，在充放电时不会发生化 学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程完成的） 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ： 电子运输电子运输 在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学 家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。 所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但

7、是单层 石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级 别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e/h,6e/h,10e/h. 为量子电导的奇数倍， 且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在 石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ： 导电性导电性 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

8、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。 富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ： 石墨烯最大的特性是其中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，或更准确地，应称为“

9、载子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见 光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现 三、三、石墨烯特性石墨烯特性 ： 机械特性机械特性 石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强 度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在1020微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在11.5微米之间。 之后，他们用金刚石制成的探针对这些

10、放置在小孔上的石墨 烯施加压力，以测试它们的承受能力。 用用afm探针在石墨烯上探针在石墨烯上“书写书写”纳米线纳米线 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们 每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压 力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出 厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石 墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。 换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大 约两吨重的物品。 三、石墨烯特性三、石墨烯特性 电子的相互作用电子的相互作用 利用世界上最强大的人造辐射源，美

11、国加州大学、哥伦比 亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特 性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着 强烈的相互作用。 科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源 （als）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相 当于医学上x射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发 现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且 电子和电子之间也有很强的相互作用。 石墨烯的蜂窝晶格石墨烯的蜂窝晶格 三、石墨烯特性三、石墨烯特性 化学性质化学性质 我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨 烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，

12、石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。 石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质 得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学 方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重 困难。 四、制备方法四、制备方法 微机械分离法微机械分离法 最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的 晶体上剪裁下来。2004年novoselovt等用这种方法制备出了 单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法 是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦， 体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体 中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利

13、用摩擦石墨表面获 得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无 法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。 通过粘贴scotch胶带的“机械剥离法”制作石墨烯的顺序 四、制备方法四、制备方法 取向附生法取向附生法晶膜生长晶膜生长 取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯， 首先让碳原子在 1 1 5 0 下渗入钌，然后冷却，冷却到 850后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状 的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可 长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 8 0 %后，第二层开始 生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层 后就几乎与钌完全分离，只

14、剩下弱电耦合，得到的单层石墨 烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往 往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特 性。另外peter w.sutter 等使用的基质是稀有金属钌。 中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜 四、制备方法四、制备方法 加热加热 sic法法 该法是通过加热单晶6h-sic脱除si，在单晶(0001) 面上 分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀

15、处理 得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用 俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热 使之温度升高至12501450后恒温1min20min，从而形 成极薄的石墨层，经过几年的探索，berger等人已经能可控 地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制 备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。 利用ntt物性科学基础研究所正在开发的sic热分解法制作的 sic基板上的石墨烯（右），实际分布有1多层的石墨烯 四、制备方法四、制备方法 包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过 高温裂解规模制备高品质无支持（free standing）石墨烯材 料的新途径

16、。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及 气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一 种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。 四、制备方法四、制备方法 化学解理法化学解理法 化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯 的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应， 迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到 石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全 红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。 上图为高定向热解石墨（hopg），下图为从hopg撕出来，置于厚度300 nm的 二氧化矽表面的石墨片烯。左下角浅色三角形为单层

17、石墨片烯，其余为1 - 5层不等。 四、制备方法四、制备方法 化学还原法化学还原法 化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/ml的 比例混合， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在1 0 0回流2 4 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨 烯。sasha stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右 的石墨烯。 五、应用前景五、应用前景 在纳电子器件方面的应用在纳电子器件方面的应用 2005年，geim研究组3 j与kim研究组h 发现，室温下 石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /vs)， 并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微

18、米尺度 的弹道传输特性(300 k下可达03 m)，这是石墨烯作为纳电 子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹 道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助 于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石 墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米 尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探 索单电子器件成为可能。 贝尔实验室的贝尔实验室的fulton等人制成的等人制成的128mbit石墨烯单电子存储器芯片照片石墨烯单电子存储器芯片照片 五、应用前景五、应用前景： 代替硅生产超级计算机代替硅生产超级计算机 科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最

19、出色的材 料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现 代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程 师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求 使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越 高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出 现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微 电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看 作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。 超级计算机芯片-目前世上电阻率最小的材料，电阻率仅为10-6 cm 五、应用前景五、应用前景： 光子传感器光子传感器 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上

20、， 这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角 色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月， ibm的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测 器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液 晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他 材料具有更优良的透光性。 美科学家制出美科学家制出4寸石墨烯晶圆寸石墨烯晶圆 五、应用前景五、应用前景： 减少噪音减少噪音 美国ibm 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的 “石墨烯(graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现 可大幅降低纳米元件特有的1/f 石墨烯，试制成功了相同的 晶体管，不过与预计的相反，

21、发现能够大幅控制噪音。通过 在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音、噪声。 ibm展示全球最快石墨烯晶体管，处理速度可达100ghz 五、应用前景五、应用前景： 其它应用其它应用 石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域， 同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。 中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细 胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装 甚至抗菌t恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金 属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石 墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出 纸片般薄的超轻型飞机材料、制

22、造出超坚韧的防弹衣，甚至 能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。 从左到右：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为从左到右：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区英寸的区 域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石墨烯触摸屏域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石墨烯触摸屏 中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞 中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。中国的科研人员

23、发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。 利用这一点可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌利用这一点可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌t恤衫恤衫 用石墨烯做的用石墨烯做的 lecs(光电化学电池光电化学电池) 未来的未来的“太空天梯太空天梯” 六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖 他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾 在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在 英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈海姆和康 斯坦丁诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。 海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上 最薄的材料，仅有一

24、个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的 是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也 很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热 导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。 2010年年10月月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授年诺贝尔物理学奖授 予英国曼彻斯特大学科学家安德烈予英国曼彻斯特大学科学家安德烈 海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，以表彰他们在石诺沃肖洛夫，以表彰他们在石 墨烯材料方面的卓越研究墨烯材料方面的卓越研究。 六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖 海姆和诺沃肖洛

25、夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和 良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得 起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几 十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间， 就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“今 天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到 实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过 获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。 海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就 停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为 他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第 二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力

26、工作， 继续平常生活。” 海姆（左）和诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学海姆（左）和诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学 七、国内生产状况七、国内生产状况 石墨烯产业还在量产探索阶段，还没有发现一种成熟的 方法能够批量生产性能优质的石墨烯。 目前氧化石墨还原法相对更加容易量产，是生产石墨烯 的主流制备工艺。不过通过氧化还原法，容易使得石墨烯的 分子结构收到破坏，而降低了石墨烯的性能；另外，氧化还 原法得到的石墨烯溶液中石墨烯非常容易发生团聚现象，使 得产品很多的性能与理论值有很大差距。 石墨烯另一个相对较成熟的制备方法是气相沉积法。但 仍然很多技术问题没有解决，如：使用气相沉积法所得的石 墨烯相对机械剥离法

27、制备的石墨烯难以运输；一些使用气相 沉积法所得石墨烯的属性（量子霍尔效应）并没有在气象沉 积法制备的石墨烯中发现，说明气相沉积法可能会影响石墨 烯的特性；而且使用气相沉积法得到的石墨烯片只能达到平 方厘米的量级，难以满足石墨烯的工业化应用。 化学气相沉积法：生长在铜箔上的石墨烯转移到化学气相沉积法：生长在铜箔上的石墨烯转移到pet薄膜的过程示意图薄膜的过程示意图 石墨烯的目前还不具备工业化生产的条件，各国都在针对 石墨烯的制备进行积极的探索，也不断的有新的制备方法出现， 业内预计2015 年前就能够实现石墨烯的规模化量产。 国内的供需情况 石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链，目 前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模化生产。对石墨 烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。 石墨烯的高强度、高导电性及传热性、超大的比表面积等 特性能够在航天军工、锂离子电池、超级电容器等多领域有潜 在应用，但由于其成本过高，一直都处于研究阶段。从目前的 技术发展来看，最有可能实现工业化使用石墨烯的下游行业是 复合材料领域和显示技术领域。将石墨烯添加到塑料、橡胶、 涂料等基体中，可以大幅增强产品的性能，如强度、韧度、导 电性及传热性等，在符合材料领域的应用也是目前石墨烯最大 的产业化应用。 七、国内生产状况七、国内生