石墨烯的神奇特性與發(fā)展概況匯編資料

1、石墨烯：二十一世紀的材料之王”石墨烯神奇特性石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域石墨烯制備方法石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展石墨烯基本概念 鉛筆，誰都用過。小時候，學(xué)寫字，胖乎乎的手握著鉛筆，在作業(yè)本上留下一個個歪歪扭扭的漢字。鉛筆筆芯的主要成分是石墨。所以，我們在作業(yè)本上每劃一筆，就是剝離了一層或者幾層石墨片。 ， 想象一下，有那么一張網(wǎng)，每一個網(wǎng)格都是一個完美的六邊形，每個網(wǎng)格的繩結(jié)都是一個碳原子。這張網(wǎng)沒有厚度，只有長和寬。 什么是石墨烯？石墨烯的形態(tài)石墨烯的形態(tài)石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識 C元素的同素異形體 石墨石墨（Graphite）層層狀結(jié)構(gòu)，每一層中的碳按六方環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每一層中的碳按六方環(huán)狀排列，上下相鄰層通過

2、平行網(wǎng)狀排列，上下相鄰層通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。 金剛石（金剛石（Diamond）四面體結(jié)構(gòu)，四個碳原子四面體結(jié)構(gòu)，四個碳原子占據(jù)四面體的頂點。占據(jù)四面體的頂點。石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識石墨烯石墨烯 C C原子外層原子外層3 3個電子通過個電子通過spsp2 2雜化形雜化形成強成強 鍵鍵( (藍藍) )，相鄰兩個鍵之間夾，相鄰兩個鍵之間夾角約為角約為120120；第；第4 4個電子為公共，個電子為公共，形成弱形成弱 鍵鍵( (紫紫) )，為平面結(jié)

3、構(gòu)。，為平面結(jié)構(gòu)。金剛石金剛石 C C原子外層四個電子通過原子外層四個電子通過spsp3 3雜化，雜化，形成較強形成較強鍵，為四面體結(jié)構(gòu)，相鍵，為四面體結(jié)構(gòu)，相鄰兩個鍵之間夾角約為鄰兩個鍵之間夾角約為109109。 1985年，英國年，英國化學(xué)家克羅托等化學(xué)家克羅托等人人在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實驗中首次制得由驗中首次制得由60個碳組成的碳原個碳組成的碳原子簇結(jié)構(gòu)分子子簇結(jié)構(gòu)分子C60（富勒烯）。（富勒烯）?？肆_克羅托獲得托獲得1996年度諾貝爾化學(xué)獎。年度諾貝爾化學(xué)獎。 在在1991年日本的電子顯微鏡專年日本的電子顯微鏡專家飯島在檢驗石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生家飯島

4、在檢驗石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子狀的同軸納米管組成的碳分子,即即碳納米管。碳納米管。石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識20042004年年，英國曼徹斯特大學(xué)英國曼徹斯特大學(xué)安德烈安德烈海姆海姆 （Andre Andre GeimGeim）教授和康斯坦丁教授和康斯坦丁諾沃肖洛諾沃肖洛夫夫 （KostyaKostya NovoselovNovoselov）博士）博士利用普通的膠帶層層剝離層利用普通的膠帶層層剝離層狀石墨的方法，發(fā)現(xiàn)了二維狀石墨的方法，發(fā)現(xiàn)了二維碳原子平面結(jié)構(gòu)碳原子平面結(jié)構(gòu)石墨

5、烯。石墨烯。 石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了所謂“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的原有認知，震撼了整個物理界。二維的碳得來全不費功夫 2010年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院將2010年諾貝爾物理學(xué)獎授予安德烈 海姆（左）和康斯坦丁 諾沃謝洛夫（ 右），以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。二維的碳得來全不費功夫石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識 石墨烯的種類石墨烯的種類單層單層石墨石墨烯烯多層多層石墨石墨烯烯改性改性石墨石墨烯烯石墨烯石墨烯石墨烯的基本知識石墨烯的基本知識 石墨烯家族的其它成員石墨烯家族的其它成員石墨烷石墨烷(Graphane)氫化石墨烯氫化石墨烯(Graphone)氧化石墨烯

6、氧化石墨烯(Graphene Oxide)石墨烯基本概念石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域石墨烯制備方法石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展石墨烯神奇特性它是地球上已發(fā)現(xiàn)的最輕最薄的材料，用肉眼是看不見石墨烯的。=20萬單層石墨烯僅吸收2.3%的可見光和紅外光，幾乎完全透明，且吸收強度與波長無關(guān)。石墨烯石墨烯它是已發(fā)現(xiàn)強度最高的材料，比鉆石還堅硬，是最好的鋼鐵強度的100多倍。G用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的貓，而且是一只懸停在半空中的貓。石墨烯是世界上電阻率最小的材料，電子在其表面遷移的速度比所有導(dǎo)體都要快。=100萬銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線: :傳輸速度最高可達傳輸速度最高可達100100兆兆1 01 0個石墨烯調(diào)制器個石墨烯調(diào)制

7、器: :傳輸速度可以達到傳輸速度可以達到1T1T室溫下石墨烯的熱導(dǎo)率遠超最好的導(dǎo)熱金屬銀和常用的散熱材料銅等金屬材料。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，具有普通物質(zhì)所不具備的某些特殊性質(zhì)，包括電子有效質(zhì)量為零，極高的載流子遷移率以及克萊因穿隧特性等。石墨烯基本概念石墨烯神奇特性石墨烯制備方法石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域石墨烯潛在應(yīng)用領(lǐng)域眾多能源領(lǐng)域石墨烯超大的比表面積和石墨烯超大的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性能使其自身優(yōu)異的導(dǎo)電性能使其自身就是一種非常具有潛力的就是一種非常具有潛力的電極材料，因此在能源領(lǐng)電極材料，因此在能源領(lǐng)域，石墨烯無論在儲能器域，石墨烯無論在儲能器件還是能源轉(zhuǎn)換器件中都件還是能源轉(zhuǎn)

8、換器件中都具有具有很廣闊的很廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用前景。作為鋰離子電池負極材料：大幅提升續(xù)航能力 負極負極材料是鋰離子電池材料是鋰離子電池的關(guān)鍵的關(guān)鍵材料之一，約占整個材料之一，約占整個電電池成本池成本的的 15%。由于石墨烯是由單層碳原子緊密排列。由于石墨烯是由單層碳原子緊密排列構(gòu)成，鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側(cè)，還構(gòu)成，鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側(cè)，還可以可以在石墨烯片層的邊緣和孔穴中存儲，其理論比容在石墨烯片層的邊緣和孔穴中存儲，其理論比容量為量為 740780 mAh/g，約為，約為傳統(tǒng)負極材料的傳統(tǒng)負極材料的 2 倍多。倍多。作為超級電容器電極材料：能量密度大幅提升超級

9、超級電容器是電容器是一種介于一種介于傳統(tǒng)電容器傳統(tǒng)電容器與電池與電池之間、之間、具有特殊性能的電源具有特殊性能的電源。其充電其充電時間極短時間極短，然而，然而能量密度較低，能量密度較低，限制了限制了其其應(yīng)用范圍。石墨烯自應(yīng)用范圍。石墨烯自身的身的獨特褶皺獨特褶皺以及疊加以及疊加效果，有望提升超級電效果，有望提升超級電容容能量密度能量密度 10 倍倍以上，以上，達到鋰電池的水平。達到鋰電池的水平。西班牙Graphenano公司推出世界首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量可滿足電動車行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘，計劃2015年投產(chǎn)。石墨烯具有石墨烯具有極極快快電子電子遷移遷移速度（硅速度（

10、硅的的 100 倍）、高透光性倍）、高透光性（只（只吸收吸收 2.3%的光的光）和強）和強韌性（拉伸韌性（拉伸 20%仍不仍不斷裂斷裂），且可彎曲，），且可彎曲，是新一代顯示器和晶是新一代顯示器和晶體管的關(guān)鍵材料。體管的關(guān)鍵材料。電子領(lǐng)域作為透明電極：廣泛應(yīng)用于觸摸屏，太陽能電池等石墨烯是替代 ITO 作為新型透明導(dǎo)電膜的理想材料，可生產(chǎn)電容觸摸屏，柔性 LCD 面板，柔性 OLED 顯示器等。作為芯片材料：新一代的晶體管利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度可制作THz 頻率的晶體管，理論上估計其工作頻率可達到 10THz。IBM制作的世界上首個制成了首個全功能石墨烯集成電路石墨烯光學(xué)調(diào)制解

11、調(diào)器網(wǎng)速提高一萬倍，一秒鐘可以下載十部電影石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的的物質(zhì)，物質(zhì)，是是極極佳的散熱材料佳的散熱材料，可用可用于智能手機、平板手持電于智能手機、平板手持電腦、大功率節(jié)能腦、大功率節(jié)能 LED照明照明、超、超薄薄 LCD 電視等的散熱。電視等的散熱。散熱材料領(lǐng)域采用石墨烯塑料散熱器的 LED 球泡燈柔性石墨烯散熱膜生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺寸厚度等特色，可用于生物元件、微生物檢測、疾病診斷、藥物運輸載體、快速 DNA 測序等。轉(zhuǎn)鐵蛋白修飾的氧化石墨烯靶向遞送化療藥物治療腦膠質(zhì)瘤石墨烯殺菌材料研究研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)石墨石墨烯能破壞烯能

12、破壞細菌的細胞膜并細菌的細胞膜并“殺死殺死”細菌細菌,而且對哺乳動物而且對哺乳動物細胞產(chǎn)生的細胞毒性很細胞產(chǎn)生的細胞毒性很小，是一種新型的小，是一種新型的“綠綠色色”抗生素?？股?。環(huán)保領(lǐng)域石墨烯及其衍生物、復(fù)合材料有較強的吸附性與過濾性，在海水淡化、污水處理方面有著巨大的應(yīng)用前景。石墨烯快速吸附放射性廢物石墨烯海水淡化膜傳感器領(lǐng)域石墨烯是光的“超級感應(yīng)器”，制成的傳感器對光線的敏感度超過現(xiàn)在攝像機所使用的成像傳感器千倍，且范圍覆蓋可見光和整個紅外光譜。諾基亞研發(fā)的石墨烯光電傳感器傳感器領(lǐng)域石墨烯超大的比表面積，以及簡單的二維平面上無限的修飾選擇使得石墨烯可以輕松制成化學(xué)傳感器、生物傳感器用于

13、檢測各種小分子、生物分子、氣體分子等。石墨烯海水淡化膜石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域矯正型公關(guān)溝通石墨烯制備方法石墨烯基本概念石墨烯神奇特性石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法 HOPGHOPG微機械剝離法微機械剝離法 利用手工或超聲的方法將高取向性高溫?zé)峤馐檬止せ虺暤姆椒▽⒏呷∠蛐愿邷責(zé)峤馐?HOPG)(HOPG)逐層剝離，缺點是效率低、無法大面積，優(yōu)點是逐層剝離，缺點是效率低、無法大面積，優(yōu)點是層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。如果采用超如果采用超聲剝離技術(shù)，聲剝離技術(shù)，可以提高效可以提高效率和成品率率和成品率Nanotechnology, 2008, 1

14、9: 455601石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法 SiCSiC襯底高溫?zé)峤夥ㄒr底高溫?zé)峤夥?超高真空超高真空(10(10-10-10Torr)Torr)下對下對SiCSiC襯底氧化或氫化處理，加熱至襯底氧化或氫化處理，加熱至1200150012001500，再降溫冷卻形成石墨烯。優(yōu)點是可得到單層和雙層，再降溫冷卻形成石墨烯。優(yōu)點是可得到單層和雙層石墨烯，缺點是成本高、均勻性差，石墨烯，缺點是成本高、均勻性差，Si Si面形成單層或少層片狀石面形成單層或少層片狀石墨烯，墨烯，C C面形成多層石墨烯。面形成多層石墨烯。Graphene and Emerging Materials for Pos

15、t-CMOS Applications, 2009,19(5):125-130C-terminate SiCSi-terminate SiC石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法 過渡族金屬襯底過渡族金屬襯底CVDCVD法法 首先沉積一層過渡族首先沉積一層過渡族金屬金屬(如如Fe、Cu、Ni、Pt、Au、Ru、Ir等等)薄膜作為薄膜作為襯底，利用其與襯底，利用其與C的高溫的高溫固溶，然后冷卻析出，再固溶，然后冷卻析出，再表面重構(gòu)，形成石墨烯。表面重構(gòu)，形成石墨烯。優(yōu)點是有利于大面積晶圓優(yōu)點是有利于大面積晶圓級石墨烯生長；缺點是層級石墨烯生長；缺點是層數(shù)精確控制較難，需要進數(shù)精確控制較難，需要進行金屬

16、襯底剝離和襯底轉(zhuǎn)行金屬襯底剝離和襯底轉(zhuǎn)移移。石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法 氧化氧化- -分散分散- -還原法還原法 將石墨氧化后分散將石墨氧化后分散(超聲、高速離心超聲、高速離心)到溶到溶液中得到前體，再用還液中得到前體，再用還原劑還原得到單層或多原劑還原得到單層或多層石墨烯。優(yōu)點是成本層石墨烯。優(yōu)點是成本低廉，缺點是可控性差，低廉，缺點是可控性差，生產(chǎn)率低，石墨烯中含生產(chǎn)率低，石墨烯中含氧功能團多，導(dǎo)電性差。氧功能團多，導(dǎo)電性差。石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法 石墨烯主要制備方法比較石墨烯主要制備方法比較工藝名稱工藝名稱優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點適用范圍適用范圍微機械微機械剝離剝離工藝簡單，可得

17、到工藝簡單，可得到單層單層手工、費時，面積手工、費時，面積小，無法批量生產(chǎn)小，無法批量生產(chǎn)基礎(chǔ)研究或基礎(chǔ)研究或者原型器件者原型器件SiC高溫高溫?zé)峤鉄峤饧兌雀?，可原位監(jiān)純度高，可原位監(jiān)控，可大面積生長，控，可大面積生長，無需襯底轉(zhuǎn)移無需襯底轉(zhuǎn)移均勻性較差，不同均勻性較差，不同原子截止面性質(zhì)差原子截止面性質(zhì)差異明顯，成本高昂異明顯，成本高昂高性能的電高性能的電子器件，晶子器件，晶圓級圓級CVD外延外延可實現(xiàn)大面積生長，可實現(xiàn)大面積生長，可控性較好可控性較好需過渡族金屬催化，需過渡族金屬催化，必須襯底轉(zhuǎn)移必須襯底轉(zhuǎn)移高性能電子高性能電子器件晶圓級器件晶圓級化學(xué)分離化學(xué)分離工藝簡單，可控性工藝簡單，可控性較好較好無法大面積，含氧無法大面積，含氧功能團降低性能功能團降低性能基礎(chǔ)研究或基礎(chǔ)研究或小型器件小型器件 在上述制備方法中，在上述制備方法中，超聲剝離、超聲剝離、SiCSiC高高溫?zé)峤夂蜏責(zé)峤夂虲VD-CVD-襯底轉(zhuǎn)移襯底轉(zhuǎn)移三種方法被認為最三種方法被認為最有希望實現(xiàn)大面積晶圓級石墨烯的制備，有希望實現(xiàn)大面積晶圓級石墨烯的制備，使得石墨烯最終替代使得石墨烯最終替代Si Si，成為延續(xù)摩爾定律，