石墨烯graphene戴梅

1、石 墨 烯（graphene）科學(xué)07-1 戴紅梅14075608#材料四要素 結(jié)構(gòu) 性能 加工 使用情況 # 石墨烯的結(jié)構(gòu)石墨烯的結(jié)構(gòu) 單原子層石墨晶體薄膜單原子層石墨晶體薄膜 碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀物質(zhì)碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀物質(zhì) 只包括六角原胞（等邊六邊形）只包括六角原胞（等邊六邊形） 每個(gè)原胞中兩個(gè)碳原子，每個(gè)原子與最相鄰每個(gè)原胞中兩個(gè)碳原子，每個(gè)原子與最相鄰三個(gè)碳原子形成三個(gè)三個(gè)碳原子形成三個(gè)鍵鍵 每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)多余每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)多余p p電子，垂直于電子，垂直于graphenegraphene平面，形成未成鍵的平面，形成未成鍵的電子電子良良好的導(dǎo)電性好的導(dǎo)電性 #石墨烯的結(jié)構(gòu)

2、#材料四要素 結(jié)構(gòu) 性能 加工 使用情況 #石墨烯的性能 最薄最薄只有一個(gè)原子厚 強(qiáng)度最高強(qiáng)度最高 美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的專家為了測(cè)試石墨烯的強(qiáng)度，先在一塊硅晶體板上鉆出一些直徑一微米的孔，每個(gè)小孔上放置一個(gè)完好的石墨烯樣本，然后用一個(gè)帶有金剛石探頭的工具對(duì)樣本施加壓力。結(jié)果顯示，在石墨烯樣品微粒開始斷裂前，每100納米距離上可承受的最大壓力為29 微牛左右。按這個(gè)結(jié)果測(cè)算，要使1 米長(zhǎng)的石墨烯斷裂，需要施加相當(dāng)于55 牛頓的壓力，也就是說(shuō)，用石墨烯制成的包裝袋應(yīng)該可以承受大約兩噸的重量。 #石墨烯的性能 沒(méi)有能隙沒(méi)有能隙良好的半導(dǎo)體良好的半導(dǎo)體 良好的導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)熱性 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性優(yōu)于石墨

3、優(yōu)于石墨 較大的比表面積較大的比表面積 優(yōu)秀導(dǎo)電性優(yōu)秀導(dǎo)電性電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的的1/3001/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度 #石墨烯的性能 室溫下的室溫下的量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)注：這樣的測(cè)量還需要在接近絕對(duì)零度的溫度下進(jìn)行，同注：這樣的測(cè)量還需要在接近絕對(duì)零度的溫度下進(jìn)行，同時(shí)還需施加非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，但全世界僅有少數(shù)幾家專業(yè)時(shí)還需施加非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，但全世界僅有少數(shù)幾家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室具備這樣的條件。長(zhǎng)期來(lái)講，石墨烯傾向于能提實(shí)驗(yàn)室具備這樣的條件。長(zhǎng)期來(lái)講，石墨烯傾向于能提供一個(gè)更好的標(biāo)準(zhǔn)。供一個(gè)更好的標(biāo)準(zhǔn)。 #

4、霍爾效應(yīng) 18791879年：當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)年：當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。便是霍爾效應(yīng)。 19801980年：對(duì)于年：對(duì)于半導(dǎo)體半導(dǎo)體，在，在強(qiáng)磁場(chǎng)和深低強(qiáng)磁場(chǎng)和深低溫溫下，證明霍耳電阻隨柵壓變化的曲線下，證明霍耳電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)一系列平臺(tái)，與平臺(tái)相應(yīng)的霍耳上出現(xiàn)一系列平臺(tái)，與平臺(tái)相應(yīng)的霍耳電阻等于電阻等于rhrhh/ie2h/ie2，其中，其中i i是正整數(shù)是正整數(shù)1 1，2 2，3 3， 隨著隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)磁場(chǎng)增強(qiáng)，在，在

5、i i1/3,1/5,1/71/3,1/5,1/7等等處，霍爾常數(shù)出現(xiàn)了新的臺(tái)階。這種現(xiàn)處，霍爾常數(shù)出現(xiàn)了新的臺(tái)階。這種現(xiàn)象稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)象稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。 #材料四要素 結(jié)構(gòu) 性能 加工 使用情況 #石墨烯的加工 微機(jī)械剝離法微機(jī)械剝離法 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(chemical (chemical vapor deposition ,cvd)vapor deposition ,cvd) 氧化氧化- -還原法還原法 溶劑剝離法溶劑剝離法 加熱加熱si-csi-c法法 溶劑熱法溶劑熱法#機(jī)械剝離法 #cvd法 使用的是一種以鎳為使用的是一種以鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積基片的管狀簡(jiǎn)

6、易沉積爐爐, ,通入含碳?xì)怏w通入含碳?xì)怏w, ,例例如如, ,碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔? ,它在它在高溫下分解成碳原子高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面沉積在鎳的表面, ,形形成石墨烯成石墨烯, ,通過(guò)輕微通過(guò)輕微的化學(xué)刻蝕的化學(xué)刻蝕, ,使石墨使石墨烯薄膜和鎳片分離得烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜到石墨烯薄膜。#氧化-還原法 指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨應(yīng)生成氧化石墨( go) ,( go) ,經(jīng)過(guò)超聲分散制經(jīng)過(guò)超聲分散制備成氧化石墨烯備成氧化石墨烯( (單層氧化石墨單層氧化石墨) ,) ,加入加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)還原劑去除氧化石

7、墨表面的含氧基團(tuán), ,如如羧基、環(huán)氧基和羥基羧基、環(huán)氧基和羥基, ,得到石墨烯。得到石墨烯。#溶液剝離法 原理是將少量的石墨分散于溶劑中原理是將少量的石墨分散于溶劑中, ,形成形成低濃度的分散液低濃度的分散液, ,利用超聲波的作用破壞利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力石墨層間的范德華力, ,此時(shí)溶劑可以插入此時(shí)溶劑可以插入石墨層間石墨層間, ,進(jìn)行層層剝離進(jìn)行層層剝離, ,制備出石墨烯制備出石墨烯。#加熱si-c法 加熱單晶加熱單晶6h-sic6h-sic脫除脫除sisi，在單晶，在單晶(0001) (0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：將經(jīng)氧氣

8、刻蝕的樣品在高真空下通過(guò)電將經(jīng)氧氣刻蝕的樣品在高真空下通過(guò)電子轟擊，除去氧化物。用俄歇電子能譜子轟擊，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至品加熱使之溫度升高至1250-14501250-1450后恒后恒溫溫1min-20min1min-20min，從而形成極薄的石墨層，從而形成極薄的石墨層, ,從而制備出單層或是多層石墨烯。從而制備出單層或是多層石墨烯。#材料四要素 結(jié)構(gòu) 性能 加工 使用情況 #石墨烯的用途 透明電極透明電極染料太陽(yáng)能電池的正極染料太陽(yáng)能電池的正極 電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器石墨烯為電子傳輸提供石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移 超級(jí)電容器超級(jí)電容器高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系, ,它具有功率密度大它具有功率密度大, ,容量大容量大, ,使用壽