石墨烯的电学性质及其研究进展--第三组20130522.ppt

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1、石墨烯的电学性质及其研究进展第三组石墨烯的基本知识石墨烯的电学性质石墨烯电学性能的研究进展目录石墨烯的基本知识石墨烯的概念01石墨烯的性质03石墨烯的制备方法04石墨烯发展简史021、石墨烯概念石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。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。石墨烯单层石墨烯及其派生物示意图富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式

2、卷成的，石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成2、石墨烯发展简史2004年，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，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9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。康斯坦丁·诺沃肖洛夫安德烈·海姆3、石墨烯的性质机械

3、特性石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。物理学家们若能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，则需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。电子的相互作用科学家利用“先进光源（ALS）”电子同步加速器观测发现：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。化学性质类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。电子运输碳原子有四个价电子，

4、这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的电子运输能力。导电性石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中电子的运动速度极快，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。故石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯能够在常温下观察到量子霍尔效应。4、石墨烯的制备方法物理方法：从具有晶格完备性的石墨或者类似的材料来获

5、得，获得的石墨烯尺度都在80nm以上。--机械剥离法、取向附生法、加热SiC法、爆炸法。化学方法：通过小分子的合成或溶液分离的方法制备的，得到石墨烯尺度在10nm以下。--石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气相沉积法(CVD)、氧化石墨还原法、球磨法。微机械剥离法--直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。最早用于制备石墨烯的物理方法。在1mm厚的高定向热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀，然后将其粘到玻璃衬底上，接着在上面贴上1μm厚湿的光刻胶，经烘焙、反复粘撕，撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶液中洗去，最后将剩余在玻璃衬底上

6、的石墨放入丙醇中进行超声处理，从而得到单层石墨烯。微机械剥离法制备石墨烯过程液相或气相直接剥离法通常直接把石墨或膨胀石墨（EG）加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。溶剂热剥离法制备石墨烯取向附生法--利用生长基质原子结构“种”出石墨烯。让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却到850℃，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80%后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与

7、钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片。含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜加热SiC法--通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶面上分解出石墨烯片层。经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，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。氧化石墨-还原法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

8、)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，得到石墨烯。该方法是目前较为常见的低成本、高效地制备大面积石墨烯薄层材料的化学方法，可广泛应用于光电池和电化学装置等领域。GO化学气相沉积法（CVD）反应物质在相当高的温度、气态