石墨烯的结构与性能课件.ppt

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1、比钻石还硬的材料——石墨烯姓名：王金杰学号：122702106比钻石还硬的材料——石墨烯主要内容石墨烯的定义石墨烯的结构石墨烯的发现石墨烯的制备石墨烯的性能石墨烯的应用石墨烯材料的定义石墨烯（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。石墨烯的结构完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形结构(等角六边形)。石墨

2、烯中的碳-碳键长约为0.142nm.晶格间连接十分牢固，形成了稳定的六边形状。垂直于晶面方向上的键在石墨烯的导电过程中起到了很大的作用。石墨烯的结构石墨烯的结构如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲，12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管。石墨烯的结构石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯齿型和扶手椅型。锯齿型石墨烯条带通常为金属型，而扶手椅型石墨烯条带则可能为金属型或半导体型。石墨烯的发现石墨烯（Graphene）是2004年

3、由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（KostyaNovoselov）发现的，他们使用一种被称为机械微应力技术（micromechanicalcleavage）的简单方法。正是这种简单方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界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。石墨烯的制备：微机械剥离法碳纳米管横向切割法微波法电弧放电法光照还原法石墨氧化还原法电化学还原法溶剂热法液相剥离石墨法碳化硅裂解法外延生长法化学气相沉积法石墨烯

4、的制备方法大面积石墨烯的制备：外延生长法化学气相沉积法大面积石墨烯薄膜的制备大面积石墨烯的制备—外延生长法原理1、清洗2、浸泡3、蚀刻4、吹干衬底处理制备步骤原理准备工作制备步骤外延法碳化硅外延法金属外延法SiC加热蒸掉Si,C重构生成石墨烯1.衬底升温除水蒸气2.750℃蒸Si3.1300℃退火重构得石墨烯在晶格匹配的金属上高真空热解含碳化合物UHV生长室衬底粗糙度<0.03um，丙酮、乙醇超声波洗涤金属放入UHV生长室，在金属衬底上热分解乙烯,并高温退火。得到单层或少层较理想石墨烯，但难实现

5、大面积制备、能耗高、不利转移单层,生长连续、均匀、大面积大面积石墨烯的制备—外延生长法SiC外延单层石墨烯AFM图Cu外延石墨烯STM图原子分辨率STM图大面积石墨烯的制备—CVD法将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.原理镍膜铜箔生长机体烃类气体甲烷(CH4)乙烯(C2H4)乙炔(C2H2)碳源气压载气生长条件温度大面积石墨烯的制备—CVD法CuNi大面积石墨烯的制备—CVD法：气压200托+甲烷50ml/min+氩气500ml/min+900

6、--1000℃氩气2000ml/min+氢气500ml/min降温冷却10℃/s衬底在1000°C下退火并预处理石英管式炉在二氧化硅/硅衬底上沉积300nm镍膜镍膜/石墨烯大面积石墨烯的制备—CVD法：晶粒尺寸较小,层数不均一且难以控制,晶界处存在较厚的石墨烯,Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大,因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱结论在Ni膜上的SEM照片不同层数的TEM照片转移到二氧化硅/硅上的光学照片实验室制备方法石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成羟基、环氧基和羧基。一方

7、面，含氧基团为亲水性，它们的引入改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面，含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石墨层间的团聚现象。石墨烯性能简介光学性能电学性能力学性能热学性能光学性能石墨烯具有优异的光学性能。理论和实验结果表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。如图从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%。电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道

8、电子形成一个大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104S/m，是室温下导电性最佳的材料。电学性能石墨烯的导电性可通过化学改性的方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。双层石墨烯在一定条件下还可呈现出绝缘性。力学性能石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2.。力学性质——比