石墨烯的制备与应用研究 毕业论文

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1、1引言21.1石墨烯的发现21.2石墨烯的结构21.3石墨烯的性质41.3.1稳定性41.3.2导电性51.3.3透明性与不透明性51.3.4机械特性51.4石墨烯的制备61.4.1固相法61.4.2液相法81.4.3气相法121.5石墨烯的应用151.5.1传感器161.5.2电化学催化171.5.3电化学发光181.5.4能量存储装置181.5.5场效应晶体管181.6国内外研究情况191.6.1国内研究及应用现状191.6.2国外研究及应用现状201.7主要研究内容212氧化石墨的制备与表征212.1氧化石墨烯的制备212.1.1主要试剂222.1.2实验设备222.1.3氧化石墨的制备

2、流程图232.1.4氧化石墨的制备步骤242.1.5氧化石墨烯的制备工艺分析252.2氧化石墨的表征262.3本章小结263石墨烯的制备及表征273.1石墨烯的制备273.2石墨烯的表征与分析293.2.1XRD表征293.2.2SEM表征303.3本章小结31参考文献33致谢361引言1.1石墨烯的发现石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，

3、他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖[1]。1.2石墨烯的结构石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚[2]。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。单层石墨由交替的单双键构成，

4、类似于有机中的多烯烃，故得名。简单地说，石墨烯指单层石墨薄片，仅有一个院子尺寸厚，由杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，石墨烯中的他碳碳键长0.142nm。每个晶格内有三个键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状[3]。垂直于晶面方向上的键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元。可以将它看作一个无限大的芳香族分子，平面多环芳香烃的极限情况就是石墨烯。石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间的连接极其柔韧。受到外力时，碳原子面发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带的形式存在。纳米条带中电

5、荷在横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒岁条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒[4]。这一特性是一石墨烯为基础的电子器件的基础。图1.1单层石墨烯结构示意图图1.2单层石墨烯及其派生物示意图2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov等通过简单胶带粘撕法得到高平直石墨片之后，该研究组、美国哥伦比亚大学的PhilipsKim研究组等展开了大量的工作，先后发现了石墨烯的狄拉克-费米子特性、奇异量子霍尔效应、超高的热导率等特性。这些突破性的发现和研究进展在当天先进的微纳米实验技术的支撑下激发论文前所未有的

6、研究高潮，在材料、物理、化学、力学等学科引起了强烈大关注和讨论，且已被广泛地应用到半导体、新能源等新材料和器件的开发中[5]。1.3石墨烯的性质1.3.1稳定性　石墨烯结构稳定：石墨烯中碳原子均由共价键相连，共价键的键能是相对比较高的，相对于分子间作用力、氢键、金属键等，共价键不易被破坏。由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键，其C-C键的强度要高于金刚石的单键，我们也可以从热力学的角度看到石墨的熔点为3850℃左右，金刚石的熔点仅为3550℃左右，不难发现，石墨比金刚石更加稳定[6]。1.3.2导电性PPT5面心立方堆积（铜），六方堆积（镁），体心立方堆积（钾）金属的导电机理：金属是金属阳离

7、子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里，金属是通过自由电子的定向移动来导电的。但金属键是不牢固的，例如金属的延展性就是原子层发生平移的结果。所以，金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷，破坏了金属的规则的晶体结构，当电子经过这些缺陷时，就容易发生散射等现象，降低了电子定向移动的速度，影响了导电性。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度[7]。