石墨烯简介教材

石墨烯简介一、碳纳米材料碳元素在元素周期表中排第六位在地壳中的含量只有0.027%碳的同素异形体（1）金刚石（最硬物）（2）石墨（最软物）（3）碳纳米管（良导体）（4）足球烯（5）石墨烯玻璃态碳、无定形碳、活性炭等碳的同素异形体间的关系：石墨烯的定义1997年，IUPAC将石墨烯定义为：graphene:Thetermgrapheneshouldbeusedonlywhenthereactions,structuralrelationsorotherpropertiesofindividuallayersarediscussed.中文相应的定义还有待明确与标准化；石墨烯发现与研究严格意义上石墨烯的发现归功于Geim团队，在2004年采用胶带粘揭的方法（sotchtaping）,制备得到了完美的石墨烯；外延生长法、化学气相沉积、氧化还原法等；根据严格意义的二维晶体理论，热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的，但是准二维原子晶体材料却可以稳定存在；Geim等获得的石墨烯就是准二维原子晶体材料，具有褶皱或附在其他基底上石墨烯的基本结构与性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同；是碳原子以sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体每个碳原子周围有三个碳原子成键，C-C键长为1.42A，键角为120°，每个碳原子以3个sp2杂化轨道和邻近3个碳形成3个σ键，剩下的1个ｐ轨道和邻近的碳原子一起形成共轭体系石墨烯的性质石墨烯中的碳原子许多性质与苯环上的碳原子有相似之处，无数个六元环构成，其边缘氢原子对分子的贡献远小于苯环，因而性质有许多不同；单层石墨，边缘性质与石墨有一定程度类似；具有部分稠环芳烃和石墨的化学性质；石墨烯电子性质和能带结构零带隙半导体（禁带宽度为零），该性质主要取决于其特殊的能带结构；锥形价带和导带对称分布在费米能级上下，导带和价带的交点为狄拉克点；（电子运动遵循狄拉克方程）石墨烯电荷传输性质具有很高的电荷迁移率（载流子几乎可以以光速移动）；电阻率为10-6欧姆●厘米，目前已知物质中室温电阻率最低的材料；石墨烯的光学性质具有令人惊奇的光学性质，单层石墨烯对可见光约有3.2%的吸收（电子能带结构）；石墨烯的不透明度为2.3%；零带隙结构使石墨烯对光很容易饱和，具有较低的饱和通量；（光学领域、激光开关）石墨烯的热导性质石墨烯是已知材料中最高的，可达到6000w/(m●k),为金刚石的1.5倍;在微热电器件方面具有重要应用前景;石墨烯的力学性质实验测得的杨氏模量为1.0TPa，其断裂强度高达42N/m，是钢的200倍；具有极高的硬度，可达到300-400N/m，是目前最强的材料；在力学传感器、共振器等方面具有重要应用前景；透气性对大多数气体、蒸汽和液体都具有极好的抗透性，可发展成为柔软轻便的抗透气材料；但是对水分子具有很好的透过性，（氢键基团（羟基，羧基）与水分子形成强相互作用）；化学性质：具有羟基、羧基，可对其进行修饰；化学键是碳碳双建，苯环是其基本结构单元，具有边界基团和平面缺陷；石墨烯的物理性质总结石墨烯的制备石墨烯制备石墨烯的制备方法分为两种，分别为：(“bottom-up”)自下而上和(“top-down”)自上而下；自上而下:以天然石墨为碳源，通过物理或化学剥离/剪切的方法获得单层或寡层石墨烯，机械剥离法、化学氧化还原法等自下而上：以小分子含碳化合物为原料合成大分子的单层或寡层石墨烯，如化学气相沉积法、有机合成法等机械剥离法微机械剥离法英国曼彻斯特的Geim等利用微机械剥离的方法首次成功的从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯；步骤：首先利用氧等离子在1mm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20μm~2mm、深5μm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，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯吸附到硅片表面。优点：操作简单，石墨烯产物晶体结构保持完好；缺点，所获得的产物尺寸不易控制，重复性差，产率低，无法可靠地制备出长度足够的石墨烯，因此不能满足工业化需求。转移印刷法将带有凸起的印章压到石墨基底上；利用印章凸起的边缘从石墨表面粘上一片石墨烯；检测印章凸起上石墨烯的品质；如果石墨烯品质完好，可以将其转移到另外的基底上SiC外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，这样就可以得到基于SiC衬底的石墨烯。早在20世纪60年代，人们就已经发现SiC单晶在高温真空退火条件下升华硅，会发生石墨化现象石墨烯的SiC外延法生长主要涉及三个方面:生长基体、高温炉和生长条件(气压、温度、载气等)。目前使用的生长基体主要有高质量的4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC等单晶体。生长基体同时也是“碳”源，由于选用的是碳化硅晶体，因此决定了碳化硅外延法制备石墨烯必须在高温条件下进行;加热碳化硅法要求的温度很高(超过1200℃)，因此对加热装置的要求也较高；化学气相沉积法采用化学气相沉积(CVD)方法在金属催化剂基底上可以得到大面积连续的石墨烯薄膜,所用的多晶基底相比于单晶基底更为廉价易得,同时生长出的石墨烯薄膜的转移也相对简单目前来看是大规模制备高质量石墨烯的最有希望的方法之一.通过CVD生长方法已经获得大面积(最大面积可达30英寸)这种生长方法以其便捷易操作且可控性高、能与下一步石墨烯的转移与应用紧密结合的优点,已经成为石墨烯生长领域的主流方法.图1化学气相沉积生长石墨烯的基元步骤.(1)碳源在催化剂表面的吸附;(2)碳源脱附回到气相;(3)碳源的脱氢分解;(4)碳原子在表面的迁移;(5)碳原子在表面(优先在台阶等缺陷位处)直接成核并生长石墨烯;(6)碳原子在高温下溶入金属体相;(7)碳原子在金属体相内的扩散;(8)降温过程中碳原子从体相析出,并在表面成核生长石墨烯化学氧化还原法氧化还原法，是将石墨氧化后（借助超声、高速离心）得到分散于溶液中的石墨烯前体，再经过还原后，得到单层或多层的石墨烯还原过程还原剂：水合肼、对苯二酚、硼氢化钠、强碱、氢碘酸氧化还原法制备得到的石墨烯经还原过程后，会产生不饱和的、共轭的碳原子，使电导率显著增加；优缺点：氧化还原法的主要优点有成本低、产量高；但经此法制得的石墨烯有一定缺陷，这是由于经强氧化剂氧化得到的氧化石墨在还原过程中并不一定能被完全还原，一些性能可能会有所损失。但是，氧化还原法仍是目前使用最广泛的方法。

其他方法电弧放电法