石墨烯最终PPT学习教案

1、会计学1 石墨烯最终石墨烯最终 石墨烯 基本 简介 前沿 进展 应用 现状 面临的 问题 未来 展望 第1页/共60页 第2页/共60页 2004 首次发 现石墨 烯 2005 证实石墨 烯中的准 粒子为无 质量的狄 拉克费米 子 2009 CVD法取得 突破，掀起 该法制备石 墨烯的热潮 。 2010 IBM发布截止 频率为 230GHz 的石 墨烯FET 2014.1 中国首条 石墨烯基 超级电容 器生产线 投产 2015 石墨烯国 家标准制 定工作启 动 第3页/共60页 石墨 烯 极高的强度，理论 弹性模量1000GPa 、拉伸强度125GPa 良好的透光性， 单层只吸收2.3% 的光

2、 导热系数高达 5300W/mK 极高的载流 子迁移率， 常温下超过 15000 cm2/Vs 世界上电 阻率最小 的材料 较大的比表 面积 2600m2/g 第4页/共60页 第5页/共60页 第6页/共60页 第7页/共60页 CVD方法是上世纪60年代发展起来的一种 制备高纯度、高性能固体材料的化学过程, 早期主要用于合金刀具的表面改性,后来被 广泛应用于半导体工业中薄膜的制备,如多 晶硅和氧化硅膜的沉积。近年来,各种纳米 材料尤其是碳纳米管、氧化锌纳米结构、 氮化镓纳米线等的制备,进一步推动了 CVD方法的发展。 第8页/共60页 第9页/共60页 采用单晶Co、Pt、Pd、Ir、Ru

3、 等基体在低压和超高真空中实现 了石墨烯的制备。 20世纪70年代尝试采用单晶Ni 作为基体, 制备石墨烯，但缺 乏有效的表征手段。 2009年, J. Kong研究组与B. H.Hong研究组首次制备出大面积 少层石墨烯, 并成功转移。 R. S. Ruoff研究组采用CH4为碳 源,用铜箔制备出尺寸可达厘米级 的石墨烯。B. H. Hong研究组进一步发展该 法, 制备出30英寸的石墨烯膜,透 光率达97.4%。 N. P. Guisinger组的研究表明:石墨 烯的生长始于石墨烯岛，具有不同 的晶体取向,从而导致片层的结合处 形成线缺陷。高鸿钧研究组,采用单晶Ru作为基体, 制备出毫米级

4、单晶石墨烯。 第10页/共60页 该法有望满足透明导电薄膜等方面的应用需 求,但 制备的石墨烯以多晶为主，达不到电子 器件级的要求。因此,减少CVD法制中石墨烯岛 的数量，备大面积高质量单晶单晶石墨烯是目前的 一个研究热点。 此外，如何实现石墨烯带以及石墨烯宏观 体的制备,进而扩展石墨烯的性能和应用;如何 实现石墨烯在聚合物等基体上的低温生长等,也 是CVD方法的未来发展方向 第11页/共60页 由乔治亚理工学院的 Walter de Heer 教授研 究小组于 2004 年首次提出。 原理：以 SiC单晶为衬底，利用氢气在高温 下对 SiC 的刻蚀效应对衬底表面进行平整化处理 ；然后在超高真

5、空的环境下，将 SiC 衬底表面加 热到 1400以上，Si 原子会先于 C 原子升华， 而表面富集的 C 原子发生重构从而形成石墨烯 薄膜。 第12页/共60页 缺点：较低的生长温度和较快的生长速 度会造成石墨烯晶体质量的下降，同时为了 防止氧化，设备需在高温下保持超高真空， 这为设备的设计制造带来了极大的难度 纽伦堡大学的 ThomasSeyller 博士的研 究小组对其进行改进。在生长过程中引入氩 气，减缓生长速度，将单层石墨烯的生长温 度提高到 1500，生长出更大更整齐的石 墨烯畴，提高了晶体质量。由于有氩气的保 护，对设备要求也有所降低。 第13页/共60页 这种方法生长石墨烯是最

6、有可能实现C 基集成电 路的有效途径之一。但单晶SiC的价格昂贵，石墨烯 的制作成本非常高，生长条件苛刻，目前还难以实 现大面积制备。 在可控制备及性能研究上存在着以下问题： 外延石墨烯的可控生长机制有待进一步深入研究 ，其生长的可控性(层数、晶畴大小、大面积均匀一 致性)有待进一步增强。 第14页/共60页 石墨 氧化石 墨片 氧化石 墨 氧化 超声剥离石墨烯还原 第15页/共60页 第16页/共60页 机械剥离法 表面外延生长 法 化学气相沉积法化学气相沉积法 氧化石墨还原法氧化石墨还原法 第17页/共60页 机械剥离法 表面外延生长 法 化学气相沉积法化学气相沉积法 氧化石墨还原氧化石墨

7、还原 法法 第18页/共60页 机械剥离法 表面外延生长 法 化学气相沉积化学气相沉积 法法 氧化石墨氧化石墨 还原法还原法 第19页/共60页 机械剥离法 表面外延生长法 化学气相沉积法化学气相沉积法 氧化石墨还原法氧化石墨还原法 第20页/共60页 第21页/共60页 10m1nm100nm10m1km100km 10000km 1mm10cm 尺 寸 两极性晶 体管 接触面板用透 明导电薄膜 超级电容 器电极材 料 钓鱼竿/球 拍等器材 大功率 太赫激 光元器 件 超高灵 敏度传 感器 锂电池等 负极材料 汽车/飞机 的构造体 等 柔性晶体 管 有机太阳 能电池用 材料 显示器及 太阳能

8、电 池窗口电 极 太空电梯 单电子晶 体管 储氢材料 输电线路 应用 第22页/共60页 石墨烯薄膜 （单层、多层 ） 石墨烯微片 （十层以下） 单晶薄膜 功能化 非功能化 （纯石墨 烯） 多晶薄膜 制造集成电路，但制制 备备问题较多，距离应 用非常遥远。 CVD法日趋成熟，有望 在510年实现应用 用于导电、散热 等领域 拥有含氧基团，应用于 药物、监测、催化剂等 特殊领域 第23页/共60页 石墨 烯 电子材料领域重点领域 u透明电极（太阳能电池 ） u电池负极材料 u替代硅的芯片材料 u柔性屏幕（可穿戴设备 ） u 散热材料领域 解决手机、计算机 等设备的散热问题 ，进一步提升性能 环保

9、监测领域 功能化石墨烯及石 墨烯复合材料，在 污染物吸附、过滤 方面表现优异 生物医学领域 石墨烯在细胞成 像、干细胞工程 等生物纳米技术 领域有着广泛的 应用前景。 第24页/共60页 超级电容器 锂离子电池 太阳能电池 燃料电池 第25页/共60页 电容器的研究是从30年代开始的,随着电子工业的 发展,先后经历了电解电容器、瓷介电容器、有机 薄膜电容器、铝电解电容器、钮电解电容器和双 电层电容器的发展.其中双电层电容器双电层电容器,又叫电化电化 学电容器学电容器,是一种相对新型的电容器,它的出现使 得电容器的上限容量骤然跃升了34个数量级,达 到了法拉第级(F)的大容量,同时具备高比功率、

10、 长循环寿命、充电时间短、绿色环保等优势,正缘 于此,它享有“超级电容器”之称. 第26页/共60页 超级 电容 器 移动 通讯 航空 航天 交通 运输 国防 科技 信息 技术 第27页/共60页 电极材料 电解液 碳材料（导电性、稳定性好、碳材料（导电性、稳定性好、 容量低）容量低） 过度金属氧化物（高容量、高 电阻） 导电聚合物（循环性能有限） 第28页/共60页 石墨烯金属氧化物复合材料石墨烯金属氧化物复合材料部分已实现应部分已实现应 用用 例： MnO2石墨烯复合材料 NiO/石墨烯复合材料 Co3O4/石墨烯复合材料 ZnO/石墨烯复合材料 第29页/共60页 材料的微观形貌对容量的

11、影响显著 性能和容量可进一步提升 改进制备方法，调控形貌、寻找最佳参数 产业升级将持续进行 应用量随石墨烯的量产情况逐步扩大 第30页/共60页 第31页/共60页 第32页/共60页 纯石墨烯电极首次循环库仑效率低、充放电平台较 高以及循环稳定性较差等问题无法取代商用碳材料 。 石墨烯复合材料 对石墨烯进行掺杂、修饰，可进一步提高容量，增 强稳定性。 另辟蹊径 以石墨烯改性非碳基电极材料，增强其稳定性，拓 宽应用范围。 第33页/共60页 锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，引入 石墨烯有以下优点： ( 1) 有效缓冲此类电极材料体积的膨胀收缩，提高循环寿命性 能; ( 2) 增强材料的

12、电子传输能力; ( 3) 改善材料的倍率性能。 ( 4) 复合材料的比容量相对于纯石墨烯有较大提高; ( 5) 金属纳米颗粒插入石墨片层结构间，增加石墨烯材料的储 锂容量; ( 6) 金属或金属氧化物的纳米颗粒能覆盖住石墨烯表层，最大 程度防止电解质插入石墨烯片层导致电极材料剥落现象，从而 改善材料的循环稳定性能。 第34页/共60页 石墨烯锂电池已有小规模应用尝试 ，性能出众，有望在五年内投入生 产。 第35页/共60页 关于石墨烯基复合材料的研究仍在进行 。石墨烯改性硅基、过渡金属材料或将为 电极材料提供多元化的选择。 新的探索石墨烯应用于正极材料 深入研究石墨烯复合材料中的微观形貌 与电

13、化学性能之间的关系，石墨烯的尺寸 、结构、缺陷以及孔径等对电化学性能的 影响具有重要意义 第36页/共60页 锂电池 超级电容器 传感器 结构材料 石墨烯材料的研究热 点 第37页/共60页 产品。所以急需研究开发基于新 材料、新结构和新工艺的器件。 能否替代硅的关键能带问题已获解决 第38页/共60页 第39页/共60页 基本问题： 如何产生禁带以实现高的开关比； 如何对石墨烯掺杂以构造互补逻辑。 第40页/共60页 构造石墨烯纳米带结构 当石墨烯纳米带的宽度小于nm时，呈现出半 导体特性，可用来制作场效应晶体管。 构造石墨烯纳米带网状结构。 石墨烯纳米带结构的工作原理相似，由于石墨烯 纳米

14、带网状结构相对容易获得，因而吸引了许多 研究小组的关注。 第41页/共60页 在石墨烯表面和边界上构造异质结，形 成异质结晶体管 例：oon等人将单层石墨烯部分氟化 ，进而得到石墨烯氟化石墨烯石墨 烯的横向异质结结构，禁带宽度约为 2.93eV,电流开关比提高到106。缺点： 导通电流小。 第42页/共60页 第43页/共60页 第44页/共60页 两种途 径 第45页/共60页 第46页/共60页 晶格掺杂比较困难并且容易破坏石墨烯晶 格，产生缺陷，吸附掺杂相对容易，但是不太 稳定。 继续寻找更加简便实用的掺杂方法，要求 既不对石墨烯自身造成影响，又能稳定存在， 并且比较容易实现工业化生产。

15、 第47页/共60页 石墨烯数字晶体管距离实际应用还 有很长的路要走，电流开关比和互 补特性只是个最基本的要求。在 满足这个基本的条件下，还要分 析评价其数字电路的其他指标，例 如亚阈值特性、短沟道效应、集成 度以及功耗等。 第48页/共60页 第49页/共60页 应用： 太阳能电池 触摸显示屏 显示器 第50页/共60页 现在工艺已经可以满足大面积的石墨烯薄 膜的制备，利用法制备柔性器件的 石墨烯电极，通过控制工艺条件可以得到 不同厚度的大面积石墨烯薄膜，可用作柔 性透明电极材料。目前需改善制备工艺降 低成本。 第51页/共60页 第52页/共60页 第53页/共60页 第54页/共60页 第55页