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1、第四讲未来硅的替代材料——石墨烯主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨烯材料的简介石墨烯材料的应用一、石墨烯材料的简介1、定义石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g,具有突出的导热性能(3000W·m-1·K-1)和力学性能(1060GPa),以及室温下较
2、高的电子迁移率(15000cm2·V-1·s-1)。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质,因而备受关注。2、发现Graphene(石墨烯)是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫（KostyaNovoselov）和安德烈•盖姆（AndreGeim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanicalcleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在
3、。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变。他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜,这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。康斯坦丁·诺沃肖洛夫安德烈·海姆3、
4、结构完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形)如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲;12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。2、加热SiC法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger等人已经能可控地制备出单层.或是多层石墨烯。据预
5、测这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。3、热膨胀法4、化学法1、机械剥离法以高取向高温热解石墨为原料,用透明胶带粘在样品上然后撕开，然后用另外的透明胶带多粘几次，得到石墨烯。在石墨片上用干法氧等离子体刻蚀出一个5μm深的平台(尺寸为20μm—2mm,大小不等),在平台的表面涂上一层2μm厚的新鲜光刻胶,焙固后,平台面附着在光刻胶层上,从石墨片上剥离下来。用透明光刻胶可重复地从石墨平台上剥离出石墨薄片,再将留在光刻胶里的石墨薄片在丙酮中释放出来,将硅片浸泡其中,提出,再用一定量的水和丙酮洗涤。这样,一些石墨
6、烯薄片就附着在硅片上。用另外一种材料与热解石墨进行摩擦，体相石墨表面会产生絮片状的警惕，这些絮片状晶体中含有单层的石墨烯。2.加热Si-C法加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气刻蚀的样品在高真空下通过电子轰击，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250-1450℃后恒温1min-20min，从而形成极薄的石墨层,从而制备出单层或是多层石墨烯。3、热膨胀法用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的平均厚度约为30μm
7、，横向尺寸在400μm左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。4.化学气相沉积法（CVD法）使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉,通入含碳气体,例如,碳氢化合物,它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯,通过轻微的化学刻蚀,使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。氧化-还原法指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和
8、羟基,得到石墨烯。溶液剥离法原理是将少量的石墨分散于溶剂中,形成低浓度的分散液,利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力,此时溶剂可以插入石墨层间,进行层层剥离,制备出石墨烯。三、石墨烯材料的性质1力学性质——比钻石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学
