石墨烯的结构与性能PPT课件

1、 比钻石还硬的材料比钻石还硬的材料 石墨烯石墨烯第1页/共38页主要内容主要内容 石墨烯的定义 石墨烯的结构 石墨烯的发现 石墨烯的制备 石墨烯的性能 石墨烯的应用第2页/共38页石墨烯材料的定义石墨烯材料的定义 石墨烯（Graphene）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，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。第3页/共38页石墨烯的结构石墨烯的结构 完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形结构(等角六边形)。 石墨烯中的碳-碳键长约为0.142nm.晶

2、格间连接十分牢固，形成了稳定的六边形状。垂直于晶面方向上的键在石墨烯的导电过程中起到了很大的作用。第4页/共38页石墨烯的结构石墨烯的结构第5页/共38页石墨烯的结构石墨烯的结构如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲，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 。 第6页/共38页第7页/共38页第8页/共38页石墨烯的结构石墨烯的结构 石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯齿型和扶手椅型。 锯齿型石墨烯条带通常为金属型，而扶手椅型石墨烯条带则可能为金属型或半导体型。第9页/共38页石墨烯的发现石墨烯的发现 石墨烯（Graphen

3、e）是2004年由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（Kostya Novoselov）发现的，他们使用一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage） 的简单方法。 正是这种简单方法制备出来的简单物质石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错误认识任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。第10页/共38页第11页/共38页第12页/共38页微机械剥离法碳纳米管横向切割法微波法电弧放电法光照还原法石墨氧化还原法电化学还原法溶剂热法液相剥离石墨法碳化硅裂解法外延生长法外延生长法化学气相沉积法化学气相沉积法石石墨墨烯烯的的制制备备方方

4、法法第13页/共38页外延生长法化学气相沉积法 大面积石墨烯薄膜的制备大面积石墨烯薄膜的制备第14页/共38页原理1 1、清洗、清洗2 2、浸泡、浸泡3 3、蚀刻、蚀刻4 4、吹干、吹干衬底处理制备步骤原理准备工作制备步骤外延法外延法碳化硅外延法碳化硅外延法金属外延法金属外延法SiCSiC加热加热蒸掉蒸掉Si,Si,C C重构生重构生成石墨烯成石墨烯1.1.衬底升温除衬底升温除水蒸气水蒸气2.7502.750蒸蒸SiSi3.13003.1300退火退火重构得石墨烯重构得石墨烯在晶格匹配在晶格匹配的金属上高的金属上高真空热解含真空热解含碳化合物碳化合物UHVUHV生长室生长室衬底粗糙度衬底粗糙度

5、0.03um0.03um，丙酮、乙醇丙酮、乙醇超声波洗涤超声波洗涤金属放入金属放入UHVUHV生长室，在金生长室，在金属衬底上热分属衬底上热分解乙烯解乙烯, ,并高并高温退火。温退火。 得到单层或少层得到单层或少层较理想石墨烯，但难较理想石墨烯，但难实现大面积制备、能实现大面积制备、能耗高、不利转移耗高、不利转移单层单层, ,生长连续、生长连续、均匀、大面积均匀、大面积第15页/共38页SiCSiC外延外延单层单层石石墨墨烯烯AFMAFM图图CuCu外延石外延石墨墨烯烯STMSTM图图原子分辨率原子分辨率STMSTM图图第16页/共38页将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表将碳氢气体吸

6、附于具有催化活性的非金属或金属表面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯. . 原原 理理镍膜镍膜铜箔铜箔生长机体烃类气体烃类气体甲烷甲烷( CH4)( CH4)乙烯乙烯( C2H4)( C2H4)乙炔乙炔( C2H2)( C2H2)碳源气压气压载气载气生长条件温度温度第17页/共38页CuCuNiNi第18页/共38页气压气压200200托托+ +甲烷甲烷50ml/min+50ml/min+氩气氩气500ml/min+900-1000500ml/min+900-1000氩气氩气2000ml/min+2000ml/min+氢气氢气500ml/min5

7、00ml/min降温冷却降温冷却10 /s10 /s衬底在衬底在10001000C C下退火并预处理石英管式炉下退火并预处理石英管式炉在二氧化硅在二氧化硅/ /硅衬底上沉积硅衬底上沉积300nm300nm镍膜镍膜镍膜镍膜/石石墨烯墨烯第19页/共38页晶粒尺寸较小晶粒尺寸较小, , 层数不均一且难以控制层数不均一且难以控制, , 晶界处存晶界处存在较厚的石墨烯在较厚的石墨烯, Ni, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大与石墨烯的热膨胀率相差较大, , 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱 结结 论论在在NiNi膜上的膜上的SEMSEM照片照片不同层数的不同层数的

8、TEMTEM照片照片转移到二氧化硅转移到二氧化硅/ /硅硅上的光学照片上的光学照片第20页/共38页实验室制备方法实验室制备方法第21页/共38页石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成羟基、环氧基和羧基。一方面，含氧基团为亲水性，它们的引入改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面，含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石墨层间的团聚现象。第22页/共38页石墨烯性能简介石墨烯性能简介 光学性能 电学性能 力学性能 热学性能第23页/共38页光学性能光学性能 石墨烯具有优异的光学性能。 理论和

9、实验结果表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。 如图从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%。第24页/共38页电学性能电学性能 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104S/m，是室温下导电性最佳的材料。第25页/共38页电学性能电学性能石墨烯的导电性可通过化学改性的方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。双层石墨烯在一定条件下还可呈现出绝缘性。

10、第26页/共38页力学性能力学性能石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2.。第27页/共38页力学性质比砖石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100100纳米纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.92.9微牛。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。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约为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

11、。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将承受大约两吨重的物品。那么它将承受大约两吨重的物品。打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。第28页/共38页热学性能热学性能石墨烯的室温热导率约为5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10倍多。石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g。第29页/共38页双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司T.J. 沃森研究中心的科学家，最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠通过将两层石墨烯片叠加，可以将

12、元器件的电噪加，可以将元器件的电噪声降低声降低1010倍，由此可以大倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。石墨烯的应用第30页/共38页微电子领域微电子领域也具有巨大的应用潜微电子领域也具有巨大的应用潜力。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。可在26GHz频率下运作可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫（terahertz ）领域。石墨烯的应用第31页/共38页石墨烯的应用超级计算机芯片超级计算机芯片-目前世上电阻率目前世上电阻率最小的材料，电阻率仅为最小的

13、材料，电阻率仅为10-6 cm在室温下硅基处理器的运行速度达到4-5GHz 后就很难在继续提高。 使用石墨烯作为基质生产出使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到的处理器能够达到1THz1THz（即（即1000GHz1000GHz） 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、新一代太阳能电池第32页/共38页光子传感器 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、新一代太阳能电池石墨烯的应用第33页/共38页薄得像纸一样的薄得像纸一样的iPhone概念手机概念手机可折叠的显示器 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、新一代太阳能电池石墨烯的应用第34页/共38页储能材料储能材料超级电容器是一种新型超级电容器是一种新型储能装置，不仅绿色环储能装置，不仅绿色环保，且功率密度、循环保，且功率密度、循环寿命都比电池大得多寿命都比电池大得多石墨烯具有极高的理论比表石墨烯具有极高的理论比表面积，结构上独立存在。故面积，结构上独立存在。故石墨烯片层两边均可以形成石墨烯片层两边均可以形成双电层。且由于石墨烯片层双电层。且由于石墨烯片层所特有的褶皱，有利于电解所特有的褶皱，有利于电解液的扩散。液的扩散。第35页/共38页超级电容超级电容器的制作器的制