石墨烯材料研究进展

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1、《材料化学工程导论》报告班级学号：1001100425姓名：王卓历指导教师：日期：2013.12.23南京工业大学化学工程与工艺专业石墨烯材料研究进展及应用前景摘要：石墨烯又称单层石墨，是一种新发现的二维材料，厚度只有一个碳原子厚度。它是口前世上最薄却也最坚硬的纳米材料，儿乎是完全透明的，只吸收2.3%的光,导热系数高达5300W/mk,高于金刚石和碳纳米管，常温下其电了迁移率超过15000cm2/Vs,也比碳纳米管和硅品体高，是目前世界上电阻率最小的材料。因电阻率极低，光透过率也较好，因此适合

2、制作透明触控屏幕、透明电极等。本论文首先总结了石墨烯的制备方法和表征性质及手段，然后针对石墨烯作为透明电极的可能性进行了探讨，最后基于石墨烯和碳纳米管性质的相似性，对两种不同工艺制备的石墨烯的场发射性质及电学性质进行了对比研究，表明石墨烯是一种具有潜在的场发射应用价值的新型材料。石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年右墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料,其产品研发和应用口前正在全球范围内急

3、剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状儿方面进行了综述。关键词：石墨烯制备应用进展石墨烯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，是构筑零维富(b)(c)(<1)图1（a）右墨烯、（b）富勒烯、（c）纳米碳管和（d）右墨石墨烯引入工业化生产的领域已为时不远了⑴。勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp'杂化碳（即碳以双键和连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特人学物理学家安徳烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖

4、洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真止能够独立存在的二维石墨烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷,人们发现，将1石墨烯的特性石墨烯是零带隙半导休，有着独特的载流子特性，为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径；电了在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质；右墨烯韧性好，它们每lOOnm距离上承受的最大压力可达2.9N[2],是迄今为止发现的力学性能最好的材料Z-o石墨烯特有的能带结构使空穴和电

5、子相互分离，导致了新电了传导现象的产生，如量子干涉效应、不规则量子霍尔效应oNovoselov等观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很多方面具备超越现有材料的特性，具体如图2⑷所示，日木企业的一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。(a)“虽强性能”我流子迁移率最高.厚0.34nm•比表

6、何积为2630m2/g»室温下为OdxMcm'/Vs(硅的100倍)理论值为106cm2/Vs以上电流密度I耐件最人►仃望达到0.2x109A；an2(

7、Cu的100倍)强度最大呆坚唤孑热率皿高(b)“独持件质”禺件能传感器功能一►类似“催化剂”的功能一►吸氮功能女极半导体帘温下可实现无散射传输一►2石墨烯的制备只需变形即可获得施加强磁场的电簪乎雪1的特煮破坏强度：42N/m杨氏模吊与金刚石相呷3OOO-5OOOW/mK（1jCNT相半）可检测出单个有机分子添加少虽至树脂材料等,町強化电了输送功能(2在低温卜确认具仃-怎效果无需添加剂即可实现CMOS构造半导体兀件英特尔等公同正在积极研究能否应用丁•应变传感器2.1微机械分离法2004年曼彻斯特大

8、学Novoselov等⑷用机械法从高定向热解石墨(HUPG)上最早剥离出了单层石墨烯。Novoselov小组在HUPG表面用氧等离子刻蚀微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，随后用透镜胶带反复撕揭，IIUPG的厚度逐步降低，会有些很薄的片层留在衬底上，其小包括单层石墨烯。再将贴有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声，Z后在溶液屮放入单晶硅片，单层石墨烯会在范徳华力作用下吸附在硅片表面。机械法在后來的发展中有所简化，如直接用胶带从HUPG上揭下一层石墨，再在胶带Z间反复粘贴，石墨片层会越来越薄，其中也

9、会包含单层石墨烯然后将胶带贴在衬底上，单层石墨烯rti此转移到了衬底上。2.2氧化石墨还原法氧化还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(G0),经过超声分散制备成氧化右墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化右墨表面的含氧基I才I,如竣基、坏氧基和疑基，得到石墨烯。氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等®6】发现通过加入化学物质如二甲肘、对苯二酚、硼氢化钠和液册等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯