石墨烯基础及性能应用

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1、GrapheneFundamentalsandPerformaneeApplications石墨烯基础及性能应用学校西安建筑科技大学论文名称石墨烯基础及性能应用班级材料科学1302学号130502112姓名王号强指导教师李延军2016年4月28日目录1.碳族材料概述1.1碳的同素异形体一石墨和金刚石1.2碳的同素异形体一富勒烯1.3碳的同素异形体一碳纳米管1.4碳的同素异形体一石墨烯2•石墨烯及类似物的原子结构2.1石墨烯及石墨烯材料的定义2.2石墨烯的原子结构2.3石墨烯与碳纳米管之间的关系2.4其它层状二维晶体2.4.1氮化硼纳米片层2

2、.4.2二氧化钛纳米片2.5纳米结构的石墨烯3.石墨烯的性质及制备方法3.2石墨烯的性质3.2右墨烯的制备方法4.石墨烯的表征5.石墨烯的应用1・碳族元索概述1.1碳的同索异形体一石墨和金刚石20世纪80年代以前，人们普遍认为碳冇两种同索异形结构：石墨和金刚石。金刚石是闪闪发光且非常坚硬的晶体结构，有四个碳原子分别以sp3杂化(键角109度28分)形式和结合，形成三维的正四面体结构。石墨的结构完全不同于金刚石，碳原子采取sp2杂化(键角220度)形成相应的六方晶体结构。这两种材料的性质差异十分显著，例如，石墨屮高度离域的兀键网络结构表明，石

3、墨比金刚石具有更高的导电率，而金刚石sp3碳原了有很强的共价键连锁网状结构，具冇很高的硬度。加Z,由于金刚石很宽的带隙(5.5ev),因而金刚石是一种绝缘体，而石墨是一种导体(带隙约为0.25ev)o1.2碳的同素异形体一富勒烯1985年，Kroto等人发现了富勒烯，在其2812种结构屮，最稳定的是有12个五边形和20个六边形组成的32而体的笼状结构。个C60分子的平均外径为lnmo

4、1

5、于富勒烯具有高度对称性，显示出可以在各种表面上滚动的特性，通过轮状富勒烯的转动，设计和合成的纳米车分子可直接在可控的表面上跑动。1.3碳的同素异形体一碳纳

6、米管1991年，FI本的电镜专家S.lijima在川石墨电弧发制备C60的过程屮意外发现碳纳米管,该材料为中空结构管状物，1112-50层石墨层片卷曲而成，各层之间距离0.343nm,两端由半球形的端帽封闭。碳纳米管垠冇前杲的应用是在场发射设备中作为电子发射器。1.4碳的同素异形体一石墨烯2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和konstantinNovoselov发现了石墨烯(graphene)o他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离除较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二，不断重

7、复，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其小部分样品仅由一层碳原子构成的新型的二维原子晶体一石墨烯。石墨烯的垩发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。2.石墨烯及类似物的原子结构2.1石墨烯及石墨烯材料的定义石墨烯仅是指排列在六方品格屮的准二维孤立碳原子层。单层石墨烯(sing®layergraphene,SLG)和双层石墨烯(bilayergraphene,BLG)才是零带隙的半导体,它们各自只有一种电子和空穴。对于所谓的少层石墨烯(few-layergraphene,FLG,3

8、-10层)而言，其导带和价带发空重叠，出现电荷载流子(chargecarriers)«而更厚的石墨烯结构则被认为是石墨薄膜。当石墨的层数少于10层时，就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构，因此，将10层以下的石墨材料成为石墨烯材料。2.2石墨烯的原子结构单层石墨烯是单原了层紧密堆积的二位晶体结构，其屮碳原了以六元环形状周期性排列于石墨烯平而内。每个碳原子通过*键与邻近三个原子相连，S、Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键结合，组成SP2(120度键角)朵化结构，由丁他和桂的键角为109度28分，故120度的键角张力较小，所以赋予了石墨烯极

9、高的力学性能。剩余的Pz轨道在与平面垂直的垩方向形成兀轨道，此只电子可在石墨烯晶体平面内自由移动，而使石墨烯有良好的导电性（附:电子跃迁图）。第2章石墨烯及类似物的原子结忙sp‘杂化轨道亍丰丰丰丰茂卄面的2s轨道.半占据呷爭2庆：sp，杂化轨道：++—:+++丰:2S卄::9:1$卄11$卄;(b)2.3石墨烯与碳纳米管之间的关系杂化：碳纳米管（carbonnanotube,CNT）的原了结构可以看做是由一条石墨烯带卷曲而形成的管状结构。而单壁碳纳米管（single-wallCNT,SWCNT）可以设想为由单一的蜂窝状石墨烯片层卷曲而形成的

10、中空圆筒。2.4其它层状二维晶体2.4.1氮化硼纳米碳层单层六方氮化硼（h-BN）具有类似于石墨的二维蜂巢晶格结构，其屮B和N原了交相替代了石墨烯屮碳原子的位置。与石墨类似，h-