新型碳材料石墨烯及其拉曼光譜畢業(yè)論文

1、洛鬥師范學(xué)院LUOYANG NORMAL UNIVERSITY2014屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)新型碳材料石墨烯及其拉曼光譜院（系）名稱專業(yè)名稱學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師宀兀成時(shí)間物理與電子信息學(xué)院物理學(xué)（師范）吳鵬飛劉照軍教授2014年5月8日新型碳材料石墨烯及其拉曼光譜吳鵬飛指導(dǎo)教師：劉照軍摘 要：碳材料自其發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直都是研究運(yùn)用的熱點(diǎn)，而近幾年碳材料的發(fā)展速度卻有 著驚人地提高，究其原因就是石墨烯的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。石墨烯作為一種新興的高效材料，加 其誘人的特性及發(fā)展前景，吸引著各界學(xué)者的研究。在分析了幾十篇有關(guān)論文及文獻(xiàn)的情 況下，本文從石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷史，制備，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，應(yīng)用前景四方面對(duì)石墨烯進(jìn)行簡(jiǎn)單 的

2、分析和介紹。而要徹底了解一種材料就要用不同的方法進(jìn)行表征，本文將從拉曼光譜的 角度進(jìn)行表征分析，以求達(dá)到對(duì)石墨烯的基本了解。關(guān)鍵詞：石墨烯；拉曼光譜；2D峰；層數(shù)；表征Graphene and its Raman SpectraWu Pen g-feiTutor: Liu Zhao-ju nAbstract: Carbon materials since its discovery has always bee n a study using hot spots, and the developme nt of carb on materials in recent years speed i

3、s striki ngly in crease, in vestigate its reas on is that the discovery and use of graphe ne. Graphe ne as a new efficie nt material, plus its attractive properties and developme nt prospects, attract ing scholars from all walks of life. On the an alysis of the doze ns of releva nt papers and docume

4、 nts, this article from the history of the discovery of graphene, preparation,structure and properties, the application prospect of the four parties in the face of graphe ne for simple an alysis and in troducti on. And to thoroughly un dersta nd a kind of material, we should characterize it with dif

5、fere nt methods, this article from the An gle of the Rama n spectra characterizati on an alysis, in order to reach a basic un dersta nding of graphe ne.Keywords: Rama n spectrum; graphe ne; 2D peak; characterizati on摘要11 引言.3.1.1碳材料3.1.2拉曼光譜基礎(chǔ) 5.2石墨烯7.2.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn) 7.2.2石墨烯的制備 7.2.3石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì).8.2.4石墨烯的應(yīng)

6、用前景 .9.3石墨烯的拉曼光譜表征 1.23.1實(shí)驗(yàn)器材及裝置 .123.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析123.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析144總結(jié)1.6.參考文獻(xiàn)1.61引言1.1碳材料自然界中，碳是組成各種有機(jī)體的最基本元素之一，由碳元素與其它元素組成的各種 物質(zhì)其普遍存在，形態(tài)迥異，化學(xué)性質(zhì)也各不相同。即使是由單一碳元素也能組成很多種 不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，化學(xué)上稱它們?yōu)橥禺悩?gòu)體”由單一碳元素也能組成的同素異構(gòu)體主要有石墨、金剛石，近年來(lái)隨著納米科技的發(fā)展，又發(fā)現(xiàn)了富勒烯、碳納 米管、石墨烯等新型碳材料。石墨、金剛石屬于傳統(tǒng)的碳材料，石墨、金剛石屬于傳統(tǒng)的碳材料，在生活和工業(yè)上 均有長(zhǎng)期的使用，并且使用

7、廣泛。雖然它們均是由碳元素構(gòu)成的單質(zhì)，但在結(jié)構(gòu)上卻有著 巨大的差異。在石墨中，每個(gè)碳原子分別以共價(jià)鍵鏈接三個(gè)碳原子，呈蜂巢式多個(gè)六邊形 并列分布，構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)。各碳原子層之間的距離太大，難于生成共價(jià)鍵，它們是通過(guò)弱 分子力結(jié)合在一起的。這種力是由各層中電子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，各層間的這種弱引力使得 石墨具有柔軟性，而它的滑膩感則是一層在另一層上滑動(dòng)的結(jié)果。而金剛石晶體屬立方晶 系，是典型的原子晶體，每個(gè)碳原子都以雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正 四面體，這是金剛石的面心立方晶飽的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)差別導(dǎo)致了它們具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)。由于石墨層與層間的分子力非常弱， 層與層之間及易滑動(dòng)，而金剛石

8、中碳原子間是由共價(jià)鍵鏈接，十分穩(wěn)固，不易斷裂，使得 金剛石成為自然界最硬的固體，而石墨則是最為柔軟的物質(zhì)之一。由能帶理論，金剛石禁 帶寬度達(dá)5.47eV，具有極強(qiáng)的絕緣能力，而石墨能隙最窄為40meV，是很好的導(dǎo)體。金剛石的熱容量比較小，熱導(dǎo)率很高，而石墨晶體則是各向異性。固體具有飽和電子結(jié)構(gòu)時(shí) 沒(méi)有固有磁矩，表現(xiàn)為抗磁性，而當(dāng)固體中含有雜質(zhì)和缺陷時(shí)，一般具有未配對(duì)的電子， 其自旋就會(huì)變現(xiàn)出順磁性。金剛石和石墨都是飽和電子結(jié)構(gòu)，在完美結(jié)晶時(shí)都是抗磁的， 石墨易含有雜質(zhì)和缺陷，此時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出順磁性，不同的是，金剛石不易參雜，只表現(xiàn)出 抗磁性。石墨和金剛石都是普通的傳統(tǒng)碳材料，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，

9、使得碳材料在納米方向 也有所發(fā)展。碳納米材料是指其結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)維度上處于納米尺度(0.1nm10nm)范圍內(nèi)的固體超細(xì)碳材料。碳納米材料主要有零維的富勒烯，一維的碳納米管和二維的石 墨烯。1985年Robert Curl等人在研究激光蒸發(fā)石墨電極粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)在不同數(shù)量碳原子形 成的碳簇結(jié)構(gòu)中包含有六十個(gè)和七十個(gè)碳原子的團(tuán)簇具有更高的穩(wěn)定性，于是提出由六十 個(gè)碳原子構(gòu)成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：由12個(gè)五元環(huán)和20個(gè)六元環(huán)組成的類似足球的空心球狀結(jié)構(gòu)， 由于它是由60個(gè)碳原子組成的，所以稱它為C60，并同時(shí)將任何由碳一種元素組成， 以球 狀、橢球狀存在的物質(zhì)(如C60，C70，C84, C240, C540

10、等)，都命名為富勒烯。1989 年, 德國(guó)科學(xué)家Kraetschmer和Huffman實(shí)驗(yàn)制備了大量高純度的 C60,證實(shí)了的籠狀結(jié)構(gòu)C60 為富勒烯的一種，進(jìn)一步推進(jìn)了富勒烯的發(fā)展。富勒烯特殊的結(jié)構(gòu)決定了其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，以及廣闊的應(yīng)用前景。富勒烯在大 部分溶劑中溶解性很差，通常用芳香性溶劑，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶劑二硫化碳溶 解。純富勒烯溶液通常是紫色的，濃度大的呈紫紅色。富勒烯是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一在室溫下 溶于常規(guī)溶劑的碳的同素異構(gòu)體，由于這種特性，富勒烯在超分子化學(xué)、防生化學(xué)領(lǐng)域有 著重要應(yīng)用。在高壓下C60可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，開(kāi)辟了金剛石的新來(lái)源。C60摻雜堿金屬具有 超導(dǎo)性，在富勒

11、烯中摻入不同的堿金屬，其超導(dǎo)性也有所不同。國(guó)內(nèi)在這方面有一定的研 究，1991年北京大學(xué)化學(xué)系和物理系在國(guó)內(nèi)首次獲得K3C60和Rb3C60超導(dǎo)體,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為18K和28K,其超導(dǎo)率高達(dá)75%。并且由富勒烯構(gòu)成的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物具鐵磁性， C60家族分子是三維n電子離域的化合物，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾后進(jìn)行PVK摻雜得到富勒烯 衍生物及一些超分子體系在光學(xué)非線性材料、光電轉(zhuǎn)換、分子電子器件等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用 前景。以富勒烯C60為基礎(chǔ)的催化劑3，可用于以前無(wú)法合成的材料或更有效地合成現(xiàn)有的 材料。碳納米管的發(fā)現(xiàn)是伴隨著 C60研究的不斷深入而實(shí)現(xiàn)的。1991年，日本的飯島澄男博 士用石墨電弧法制

12、備 C60的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了一種多層管狀的富勒碳結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究證明它是同 軸多層的碳納米管。碳納米管是由碳原子以六邊結(jié)構(gòu)排列組成的數(shù)層或數(shù)十層的同軸管 狀結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)材料。根據(jù)碳納米管截面的邊緣形狀，單壁碳納米管又分為單臂(armchair) 納米管，鋸齒形(zigzag)納米管和手性形(chiral)納米管。這些類型的碳納米管的形成取決于 由六邊形碳環(huán)構(gòu)成的石墨片是如何卷起來(lái)形成圓筒形的，不同的卷曲方向和角度將會(huì)得到 不同類型的碳納米管。單壁碳納米管的直徑一般為16 nm,最近日本飯島澄男和香港科技 大學(xué)在Nature雜志上分別撰文報(bào)道，他們同時(shí)觀察到的碳納米管最小直徑僅為0.4 nm。理論上，

13、0.4 nm是碳納米管可能的最小直徑，因?yàn)槌叽缭傩?，碳納米管會(huì)因?yàn)樘荚又g 的結(jié)合角度太小而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。除此之外，單壁碳納米管的直徑太大也不是穩(wěn)定的結(jié) 構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)管徑大于6nm后就很容易發(fā)生管壁的塌陷而變得不穩(wěn)定。碳納米管的側(cè)面的基本構(gòu)成是由六邊形碳環(huán)（石墨片）組成，但在管身彎曲和管端口封 頂?shù)陌肭蛎毙尾课粍t含有一些五邊形和七邊形的碳環(huán)結(jié)構(gòu)。因?yàn)闃?gòu)成這些不同碳環(huán)結(jié)構(gòu)的 碳-碳共價(jià)鍵是自然界中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以碳納米管應(yīng)該具有非常好的力學(xué)性能，其強(qiáng)度接近于碳-碳鍵的強(qiáng)度。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明 ，單壁碳納米管的楊氏模量和剪切模 量都與金剛石相當(dāng)，其強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度卻只有鋼

14、的六分之一，是一種新型的 超 級(jí)纖維”材料。由于碳納米管是中空結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們就研究發(fā)現(xiàn)，可以在其空腔中填入”其它物質(zhì)，進(jìn)行儲(chǔ)存。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)碳納米管是迄今發(fā)現(xiàn)的貯氫容量最大的吸附材料，因此，碳納米管也將有助于氫燃料汽車的發(fā)展。并且碳納米管的端口極為細(xì)小而且非常穩(wěn)定，十 分有利于電子的發(fā)射。它具有的極佳場(chǎng)發(fā)射性能將使其有望取代目前使用的其它電子發(fā)射 材料，成為下一代平板顯示器的場(chǎng)發(fā)射陰極材料。正如我們所知，石墨是層狀結(jié)構(gòu)，但層與層之間并不穩(wěn)定，如果以一定的方式對(duì)石墨 片進(jìn)行剝離，使其只有一層或數(shù)層，就會(huì)產(chǎn)生另一種二維碳納米材料。在2004年之前就有人預(yù)言存在這種材料，但由于當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)識(shí)和科技發(fā)展

15、程度有限，認(rèn)為不可能單獨(dú)存 在穩(wěn)定的二維納米材料。直到 2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈.蓋姆（Andre Geim） 和康斯坦丁 .諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并制備了單層石墨烯片 ， 人們才開(kāi)始注意這種神奇的碳納米材料。由于石墨烯（graphen可以視為石墨（graphite）的單層或數(shù)層，所以它們的性質(zhì)十分相似，均是由碳原子以六方結(jié)構(gòu)的鍵雜化鏈接而成的。 但是由于它比石墨少了層與層的弱分子力，因此有著比石墨更為特殊的性質(zhì)。迄今為止，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)石墨烯有著獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，它擁有高比面積，高導(dǎo) 電性，高機(jī)械強(qiáng)度，高熱導(dǎo)率等。由于它這些高效的性能

16、，使得它成為近些年各國(guó)科技研 究的新寵兒”，尤其在美、韓、中、日等國(guó)研究非常活躍。石墨烯或?qū)⒊蔀榭蓪?shí)現(xiàn)高速晶 體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽(yáng)能電池等多種新一代器件 的核心材料。1.2拉曼光譜基礎(chǔ)拉曼光譜是一種散射光譜。其分析方法是由印度科學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)得到 的，對(duì)于入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面的信息，并應(yīng)用 于分子結(jié)構(gòu)的一種分析方法。拉曼光譜是由拉曼于1928年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光穿過(guò)透明介質(zhì)時(shí)，光子會(huì)被其中的分子散射使其光頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做拉曼散射。當(dāng)光 子入射到介質(zhì)中的分子上時(shí)，若發(fā)生彈性碰撞，則出射光頻率不變，發(fā)生的

17、是瑞利散射， 其強(qiáng)度只有入射光強(qiáng)度的倍；若發(fā)生的是非彈性碰撞，則出射光頻率在原頻率左右有變動(dòng), 并對(duì)稱分布，發(fā)生的是拉曼散射，其強(qiáng)度大約為瑞利散射的倍?，F(xiàn)假設(shè)入射光頻率為，并 發(fā)生拉曼散射，貝U其出射光的譜線在光譜中對(duì)稱的分布在的兩側(cè)，頻率為。其中頻率小于 入射光頻率的成分，稱為斯托克斯線；頻率大于入射光頻率的成分，稱為反斯托克斯線。在被散射的光中，根據(jù)其相對(duì)于入射光頻率的改變，可將散射分為三種：第一種，其 頻率基本不變或變化小于10-5 cm-1,這種散射就是瑞利散射；第二種，其頻率變換大約為 0.1 cm-1,稱為布里淵散射；第三種，其波數(shù)變化大于1 cm-1,則為拉曼散射。值得一提的是，

18、瑞利散射光的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于拉曼散射光強(qiáng)度，并且拉曼散射永遠(yuǎn)伴隨 著瑞利散射的發(fā)生，不可能單獨(dú)存在。所以在研究拉曼光譜時(shí)一定要濾去瑞利光譜，這樣 才能保證準(zhǔn)確8,9。電-F龍級(jí)醱發(fā)蠡 血能級(jí)反 Stok電產(chǎn)能級(jí)kJhStoks童竟r1r1r拉翟般姑 瑞利敢牯鈕呈皺姑圖1拉曼散射的產(chǎn)生原理拉曼光譜對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常敏感，每一種物質(zhì)都有獨(dú)特的拉曼光譜，分析一種物質(zhì)的拉 曼光譜可以確定其結(jié)構(gòu)特性，比如石墨烯的層數(shù)以及缺陷。因此，確定拉曼光譜可以作為 表征石墨烯特性的簡(jiǎn)單可靠的方法。2石墨烯2.1石墨烯的發(fā)現(xiàn)自從發(fā)現(xiàn)了零維的富勒烯和一維的碳納米管，以及之前就發(fā)現(xiàn)的三維的石墨、金剛石，在碳元素的單質(zhì)中或者說(shuō)是其

19、同素異形體中只差一種二維的物質(zhì)，而這個(gè)空缺物質(zhì)也被預(yù) 言是存在的，并獲得了大多科學(xué)家的支持，把其命名為石墨烯，而且吸引著一批批的科學(xué) 家、學(xué)者對(duì)其進(jìn)行著研究。大家都熟知的石墨，是由六方規(guī)則網(wǎng)狀排列的碳原子以層狀結(jié)構(gòu)排列而成。如果把這 一層層的石墨單獨(dú)抽出來(lái)就是石墨烯。但由于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，和理論支撐的不足，當(dāng)時(shí) 科學(xué)界一致認(rèn)為石墨烯并不能單獨(dú)存在，而是存在于一定的物質(zhì)，比如說(shuō)：石墨。這種思想一直存在了好幾年，直到2004年由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈.蓋姆（Andre Geim）和康 斯坦丁 .諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)并在實(shí)驗(yàn)中制得。打破了這種思想局限， 完善了

20、碳元素的同素異形體從零維到三維的完美體系，更使得石墨烯的量產(chǎn)及應(yīng)用成為可 能10。石墨烯的制成在科學(xué)界引起了很大的轟動(dòng)，各國(guó)科學(xué)家都進(jìn)行著各方面的研究，論文 數(shù)量不斷攀升，在對(duì)石墨烯進(jìn)行了一定的研究之后，科學(xué)家們預(yù)言將進(jìn)入后硅時(shí)代”隨著研究的深入，石墨烯的制備方法也在不斷增多，最主要的有兩種：微機(jī)械剝離法，CVD生長(zhǎng)法11。2.2石墨烯的制備在當(dāng)時(shí)安德烈小組在制得石墨烯時(shí)用的是微機(jī)械剝離法，也就是用透明膠帶在一塊經(jīng) 過(guò)處理的石墨上反復(fù)的粘貼、剝離，從這些剝離下來(lái)的碎片中挑選出層數(shù)較少的就是石墨 烯。這種方法操作簡(jiǎn)單，也是當(dāng)時(shí)最為重要的方法。但用這種方法制得的石墨烯有一定的 缺陷：其制備的石墨烯

21、尺度較小，最大僅為平方微米量級(jí)；且層數(shù)不均勻，在同一塊石墨 烯中總是摻雜著不同層數(shù)的石墨烯；以及形狀不規(guī)則。所以在當(dāng)時(shí)制得一塊較為完善的石 墨烯是非常不易的，所以說(shuō)也限制了對(duì)石墨烯的研究。而以CVD生長(zhǎng)法制備的石墨烯就可以避免以上缺陷，該法是將基底（一般為金屬） 置于含碳?xì)怏w（如：甲烷、乙炔）的氣流中，并在高溫粹燒下使得碳原子均勻的平鋪在基 底上形成石墨烯，然后運(yùn)用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底即可得到獨(dú)立的石墨烯片。通過(guò)選擇 基底的類型、生長(zhǎng)的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長(zhǎng)（如：生長(zhǎng)速率、厚 度、面積等），用這種方法已經(jīng)成功制備出平方厘米級(jí)的單層或多層石墨烯。由于是在高 溫下進(jìn)行的，所以

22、制得的石墨烯也可能存在一定的缺陷。目前采用此種方法的主要有韓國(guó) 三星、韓國(guó)成均館大學(xué)等。除此兩種方法外，還有碳化硅表面外延生長(zhǎng)，金屬表面生長(zhǎng)，氧化石墨烯法等，在生 產(chǎn)制備中都有一定的運(yùn)用。2.3石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)通過(guò)以上介紹知道石墨烯可以簡(jiǎn)單的看做是石墨的一層或數(shù)層，由于石墨是由碳原子 以六方結(jié)構(gòu)的鍵雜化鏈接而成的單原子層之間以共價(jià)鍵鏈接的層化結(jié)構(gòu)，所以石墨烯是由 碳原子以六方結(jié)構(gòu)的鍵雜化鏈接而成的單原子層 12。圖2石墨及石墨烯模型由于石墨烯這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得它成為構(gòu)建成其它碳同素異形體的基本單元。 比如, 石墨烯一層一層地重疊排列起來(lái)就可以形成石墨；把石墨烯卷起來(lái)使其左右邊相連形成管 狀

23、，就成為了碳納米管；如果把石墨烯包覆卷起成為球形，就可以形成富勒烯。FmI I oN soot mb *圖3石墨烯可以構(gòu)成其它碳的同素異構(gòu)體Graiphlt*由于石墨烯是單原子層，所以它成為現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的世上最薄的二維材料，厚度僅有。以 及其穩(wěn)定的六方結(jié)構(gòu)，它也是目前最為理想的二維納米材料。石墨烯在有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)的同時(shí)也有著獨(dú)特的性質(zhì)。石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度在目前所測(cè)的 材料中是最高的，其機(jī)械強(qiáng)度比生活中所用到的高強(qiáng)度材料鋼鐵還要高出200多倍。石墨烯不僅強(qiáng)度高而且韌性好，它每可以承受最大壓力達(dá)，并且其拉伸膜量為，本征強(qiáng)度為， 力學(xué)性能為目前最好。它有著極高的比表面積，理論值達(dá)到。熱導(dǎo)率為，也比較高，是

24、金 剛石的3倍。石墨烯時(shí)零帶隙半導(dǎo)體，他有著良好的電子傳輸性能，在室溫下其載流子遷 移率高達(dá)，是現(xiàn)在通用的電子通訊線路材料硅的100倍，也是之前所知道的遷移率最高的銻化銦材料的兩倍13，所以石墨烯一直是電子行業(yè)的研究重點(diǎn)，并被預(yù)言將進(jìn)入后硅時(shí)代”由上可見(jiàn)，石墨烯在物理及電學(xué)方面有著優(yōu)良的性質(zhì)，不僅如此，還具有完美的量子 霍爾效應(yīng)及半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)14,15，和室溫鐵磁效應(yīng)等一系列性質(zhì)。正由于這些完美 的性質(zhì)使得石墨烯的性能更加完善，應(yīng)用前景更加光明。2.4石墨烯的應(yīng)用前景石墨烯具有非常優(yōu)良的特性，在材料領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置。隨著近幾年科學(xué)界對(duì)石 墨烯的研究逐步深入，石墨烯應(yīng)用前景也越來(lái)越廣

25、。（1）可做太空電梯”纜線石墨烯質(zhì)地輕，且強(qiáng)度高，可用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的 防彈衣，甚至有可能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的 2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員表示， 如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖，將能降低超堅(jiān)固炭素復(fù)合材料的成本。（2）代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品硅讓我們邁入了數(shù)字化時(shí)代，但研究人員仍然渴望找到一些新材料，讓集成電路更小、 更快、更便宜。在眾多的備選材料中，石墨烯最引人矚目。石墨烯在光電方面的優(yōu)點(diǎn)有很 多，比如超高強(qiáng)度、優(yōu)越的透光性和超強(qiáng)導(dǎo)電性，這讓它成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超 高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲(chǔ)器和其他器件

26、的原型 樣品當(dāng)中。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM ）已研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管16?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適 合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的重要部分，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而 手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的 出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用 潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。（3）光子傳感器由于石墨烯為零能隙的半導(dǎo)體，有著

27、獨(dú)特的載流子特性，在室溫下其載流子遷移率高 達(dá)，石墨烯還可以制作光子傳感器，用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息?，F(xiàn)在，這個(gè)角色還在由 硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。近年IBM的一個(gè)研究小組披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。英法研 制出超快鎖模石墨烯激光器。英國(guó)劍橋大學(xué)及法國(guó)CNR的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模（Mode-locked）石墨烯激光器17。（4）納電子器件石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。但是由于完整的石墨 烯基本沒(méi)有帶隙，極大地限制了它在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用，所以為石墨烯開(kāi)啟一個(gè)帶隙， 是一件非常重要的課題。近

28、來(lái)，研究表明，一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙， 可以獲得高性能的晶體場(chǎng)效應(yīng)管，增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而，制備寬度小 于10nm的石墨烯納米帶是非常困難的問(wèn)題，這也是近年科學(xué)家們所要攻克的難題。石墨烯是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，是將來(lái)應(yīng)用于納米電子器件最具希望的材料。 2010年6月10日，美國(guó)科研人員利用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。設(shè)計(jì) 出了簡(jiǎn)便、快速的納米電線制造方法，能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征，使氧化石墨烯從絕緣 物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。從氧化石墨烯到石墨烯的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換是制造導(dǎo)電性納米線的重要途徑， 其不僅可應(yīng)用于軟性電子學(xué)領(lǐng)域，還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線，

29、可被用于測(cè) 量單個(gè)生物細(xì)胞的電子信號(hào)。（5）優(yōu)良的太陽(yáng)能電池因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的透光性。透明的石墨 烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽(yáng)能電池。美國(guó)魯特格大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技 術(shù)，這是一種幾厘米寬、l5nm厚的薄膜。石墨烯薄膜是一種平坦的單原子碳薄，可用于 取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽(yáng)能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜 晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電(6) 其它石墨烯的潛在應(yīng)用方向還包括觸摸屏、太陽(yáng)能電池、量?jī)?chǔ)存裝置、手機(jī)和高速電腦芯 片。目前在新型超導(dǎo)材料、微電子、表面處理以及催化等方

30、面具有良好的應(yīng)用前景。石墨 烯應(yīng)用于化學(xué)修飾電極、化學(xué)電源、催化劑和藥物載體以及氣體傳感器等方面的研究有進(jìn) 展。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外過(guò)去 3年里有眾多突破性的進(jìn)展和重大的發(fā)現(xiàn)，如獨(dú)特的載流子特 性，反常量電導(dǎo)率，首個(gè)石墨烯基室溫電子場(chǎng)效應(yīng)管，雙極超導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)管，單分子傳感器 等。隨著研究的深入和加大研究與開(kāi)發(fā)的力度，石墨烯及其復(fù)合材料將盡快地應(yīng)用于國(guó)民 經(jīng)濟(jì)生活中。3石墨烯的拉曼光譜表征石墨烯的優(yōu)良特性及廣闊的應(yīng)用前景，如果研究進(jìn)展順利，對(duì)科技，經(jīng)濟(jì)和日常生活 方面都有極好的幫助，因此，我們不得不重視這種新型的碳納米材料一一石墨烯。最理想的石墨烯是單層的，但其制作復(fù)雜，造價(jià)高昂，因此，根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情

31、況，可以使用雙 層、三層或多層的石墨烯片。但是不同層數(shù)的石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能是否有所區(qū)別， 我們并不能確定，因此，我們就要進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)他們進(jìn)行分析、區(qū)分。拉曼光譜對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常敏感，不同物質(zhì)的拉曼光譜是不同的，因此我們可以通過(guò)不 同層數(shù)石墨烯的拉曼光譜表征，對(duì)它們進(jìn)行分析。首先，我們可以研究一下普通石墨的拉 曼光譜：圖4兩塊不同石墨的拉曼光譜如圖可以發(fā)現(xiàn)，雖然所用石墨不同，但它們的拉曼光譜有相似的地方，它們都有兩個(gè) 是兩峰的強(qiáng)度有較大差別。其中D（defect）峰表示物質(zhì)的缺陷和摻雜程度，石墨和石墨烯的層數(shù)越多，其D峰強(qiáng)度越大，缺陷也就越大。石墨烯的拉曼光譜是否也是如此？為了探 究這個(gè)問(wèn)題

32、，我們對(duì)單層、雙層、三層三種石墨烯片進(jìn)行了測(cè)試，并制出了它們的拉曼光 譜，下面我們對(duì)它們進(jìn)行分析。3.1實(shí)驗(yàn)器材及裝置拉曼測(cè)量采用Jobin-Yvon Horiba的HR 800型共焦顯微拉曼光譜儀，配備 1800 gr/mm 光柵，50倍長(zhǎng)焦顯微物鏡，CCD探測(cè)器。激發(fā)光源為氬離子激光器，波長(zhǎng) 514.5 nm。3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析運(yùn)用拉曼光譜儀對(duì)三種不同層數(shù)的石墨烯進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)出了三組數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù) 的分析我們用了 Origin軟件，并作出了圖像300002669.81580.524523242.4L4253.11000I Raman shift/cm,12000300040005000

33、圖5單層石墨烯拉曼光譜1578.32683.3100004271.61000200030004000-1Raman shift/cm5000圖6雙層石墨烯拉曼光譜圖7三層石墨烯拉曼光譜以上是三種不同層數(shù)的石墨烯的拉曼光譜，可以發(fā)現(xiàn)在光譜上都有五個(gè)明顯的峰，從 左到右分別為G峰、2Dib峰、2Dia峰、2D2B峰、2D2A峰，可以發(fā)現(xiàn)在各波峰位置，相對(duì) 強(qiáng)度，峰寬是有一定差別的。下面我們對(duì)這些方面進(jìn)行分析。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析AreaCen terWidthHeight11.6064E51580.313.4717591.32499192455.127.5451153.731.0086E62670.

34、623.571272404281423241.510.3661728.351.5560E74241.6454.14193.25表1單層石墨烯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)AreaCen terWidthHeight12.5448E51578.012.8871257126.5973E51421.71555.1270.0731.0046E62684.847.589134134931133258.111.5161711.25487774264.3130.55237.86表2雙層石墨烯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)AreaCen terWidthHeight12.4004E51576.414.138108092372052452.829.236

35、810.1539.7274E52677.554.517113594266173242.214.4671171.359.0230E55313.24739.8121.19表3三層石墨烯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間并沒(méi)有出現(xiàn)波峰，也就是說(shuō)不存在 D峰，因此，三種石墨烯的純度比較高。對(duì)于波 峰出現(xiàn)在附近G峰，是由碳原子的面內(nèi)振動(dòng)引起的，能有效反應(yīng)石墨烯的層數(shù)。由上述表 格分析可知G峰會(huì)隨著石墨烯的層數(shù)的增加，向左（低波位）有少許移動(dòng)，其位移與相關(guān)。 此外，G峰容易受參雜影響，所以其峰位與峰寬可用于分析參雜水平18 o波峰出現(xiàn)在附近的峰為2Dia峰，極易受激發(fā)波波長(zhǎng)影響。由表格分析，隨著石墨烯片 層數(shù)的增加，其2Dia峰的半高全寬（width）會(huì)逐漸增寬，而峰高（height）則會(huì)逐漸變低； 反觀其波位中心（center）和波相對(duì)強(qiáng)度（area）并沒(méi)有有規(guī)律的變化。由此分析，我們可 以從2Dia峰的半高全寬和峰高的變化來(lái)確定石墨烯的層數(shù)，并且在學(xué)術(shù)上一般也以2Dia峰來(lái)判斷石墨烯片層數(shù)。再來(lái)看出現(xiàn)在附近和附近的峰，二者在峰高一項(xiàng)中均隨石墨烯片層數(shù)的增加有些許的 降低，但變化并不明顯，所以一般并不作為判斷石墨烯片的層數(shù)的依據(jù)。由上述分析，一般以G峰及2Dia峰作為