石墨烯(论文)
石墨烯的制备,特征,性能及应用的研究
内蒙古工业大学化学工程与工艺徐涛 010051
摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的碳! 热潮。分析了近1 年来发表在Science、Nature 等期刊上的关于石墨烯的论文, 对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。
关键字: 石墨烯, 制备, 表征, 应用, 石墨烯氧化石墨烯(GO) 功能化石墨烯传感器
碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料, 它可以形成硬度较大的金刚石, 也可以形成较软的石墨. 近20 年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985 年发现的富勒烯[1]和1991 年
发现的碳纳米管(CNTs)[2]均引起了巨大的反响, 兴起了研究热潮. 2004 年, Manchester 大学的Geim 小组[3]首次用机械剥离法获得
了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯. 石墨烯的发现, 充
实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨
烯到三维的金刚石和石墨的完整体系. 石墨烯是由碳原子以sp2 杂
化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的
苯六元环, 其理论厚度仅为0.35 nm, 是目前所发现的最薄的二维材料[3]. 石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元, 可以翘曲变成零维
的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs[4-5]或者堆垛成三维的石墨(图1). 这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象, 使石墨烯表现出许多
优异的物理化学性质, 如石墨烯的强度是已测试材料中最高的, 达130 GPa[6], 是钢的100 多倍; 其载流子迁移率达1.5×104
cm2〃V-1〃s-1 [7], 是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍, 超过商用硅片迁移率的10 倍, 在特定条件下(如低温骤冷等),
其迁移率甚至可高达2.5×105 石墨烯的热导率可达5×103W〃m-1〃K-1, 是金刚石的3 倍[. 另外, 石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)[10]及室温铁磁性[11]等特殊性质. 石墨烯的这些优异性引
起科技界新一轮的“碳”研究热潮, 已有一些综述性文章从不同方面对石墨烯的性质进行了报道.,本文仅根据现有的文献报道对石墨烯
的制备方法、功能化以及在化学领域中的应用作一综述
历史背景
想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维而不是三维的。这就是石墨烯，它是二维的碳，人类已知的最薄材料，一种正为物理学和材料学带来许多新发现的东西。
由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类物质的基本特征
——碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。层与层之间附着得很松散，容易滑动，使得石墨非常软、容易剥落。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。2004年10月，发表在美国《科学》杂志上的一篇论文推翻了这种认知。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，用普通胶带完成了他们的“魔术”。
他们用胶带从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是他们的首创。在此之前就有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈〃K〃海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得
到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。
结构性质
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。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。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的
1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
研究进展
关于石墨烯的研究最早始于20 世纪70 年代,Clar 等[ 2, 3] 利用化学方法合成一系列具有大共轭体系的化合物, 即石墨烯片。此后, Schmidt 等[ 4, 5] 科学家对其方法进行改进, 合成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯衍生物, 但这种方法不能得到较大平面结构的石墨烯2004 年, Geim 等[ 1] 以石墨为原料, 通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体( two2dimensional atomic crystals) 的新材料) ) )/ 石墨烯( graphene )0。/ 石墨烯0又名/ 单层石墨片0, 是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子, 碳原子排列成二维结构, 与石墨的单原子层类似( 图1) 。Geim等[ 6]利用纳米尺寸的金制/ 鹰架0, 制造出悬挂于其上的
单层石墨烯薄膜, 发现悬挂的石墨烯薄膜并非/ 二维扁平结构0, 而是具有/ 微波状的单层结构0, 并将石墨烯单层结构的稳定性归结于其在/ 纳米尺度上的微观扭曲0。
石墨烯的理论比表面积高达2 600m2Pg[ 7] , 具有突出的导热
性能( 3 000W#m- 1#K- 1 ) 和力学性能( 1 060GPa) [ 8] , 以及室温下较高的电子迁移率( 15 000cm2#V- 1#s- 1 ) [ 9] 。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。
石墨烯的表征
单层石墨烯虽然已经成功制得, 但目前其表征手段还十分有限, 成为制约石墨烯研究的瓶颈之一。由于单层石墨烯理论厚度只有0. 335nm, 在扫描电镜中很难观察到。原子力显微镜是确定石墨烯结构的最直接办法。原子力显微镜可以表征单层石墨烯, 但也存在缺点: 且在表征过程中容易损坏样品; 此外, 由于 C 键之间的相互作用, 表征误差达0. 5nm甚至更大, 这远大于单层石墨烯的厚度, 使得表征精度大大降低[18] 。在Raman 光谱中, 石墨烯在1580cm 处的吸收峰强度较低, 而在2700cm 处的吸收峰强度较高, 并且不同层数的石墨烯在2700cm 处的吸收峰位臵略有移动。这可能是由于石墨烯的电子结构发生变化, 从而引起双共振效应的变化[19] 。Ra man 光谱的形状、宽度和位臵与石墨烯的层数有关, 这为测量
石墨烯层数提供了一个高效率、无破坏的表征手段。但是, 石墨烯拉曼光谱信号弱、难以对其精细结构进行表征。光学显微镜的利用为石墨烯的表征提供了一个快速简便的手段, 使石墨烯得到进一步精确表征成为可能。Cheng等[20] 在反射率计算的基础上, 引入色度学空间概念, 提出了快速、准确、无损表征石墨烯层数的总色差方
法。解释了只有在特定基底( Si )底上涂72nm 厚Al2O3 膜) 上石墨烯可见的原因, 提出并实验证实了更利于石墨烯光学表征的基底和光源,提高了光学表征的精度, 为石墨烯层数的快速准确表征、控制制备及物性研究奠定了基础。
石墨烯的制备方法
石墨烯的制备大体可分为物理方法和化学方法。其中, 化学方法研究得较早, 主要是以苯环或其他芳香体系为核, 通过偶联反应使苯环上6 个碳均被取代, 然后相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环,如此进行多步反应使芳香体系变大, 但该方法不能合成具有较大平面结构的石墨烯; 物理方法主要以石墨为原料来合成, 不仅原料便宜易得, 而且可得到较大平面结构的石墨烯, 因而目前关于此方面的研究比较多, 国内也有相关综述[ 14, 15] 。3. 1 化学合成) ) ) / 自下而上0合成法Clar 等开创了多环芳烃( PAH) 合成和性能表征的先河, 但产率较低, 此后Halleux 等[ 4] 、Schmidt等[ 5] 、M llen 等[ 16, 17] 对这一方法进行改进, 目前这种方法合成较大体系的石墨烯主要是通过Diels2Alder反应( 图2 ) 、Pd 催化的Hagihara2Sonogashira,Buchwald2Hartwig 或KumadaPNegishi 偶合等先合成六苯并蔻(HBC) , 然后在FeCl3 或Cu(OTf) 22AlCl3 作用下环化脱氢得到较大平面的石墨烯。化合物2 ) 4为边缘是锯齿形的石墨烯[18, 19] , 化合物1 是目前用此方法合成的最大平面的石墨烯[ 20] 。M llen等[ 21] 对此方法合成石墨烯进行了综述。这种
方法的缺点是: 反应步骤多, 当面积大时需要较多的催化剂, 反应时间长, 脱氢效率不高, 有可能为部分脱氢;此外, 用偶联反应合成HBC 时要用金属催化剂,这会造成环境污染.
以石墨为原料制备
物理方法
( 1) 微机械力剥离法[1]
以1mm 厚的高取向高温热解石墨为原料, 在石墨片上用干法氧等离子体刻蚀出一个5Lm 深的平台( 尺寸为20Lm) 2mm, 大小不等) , 在平台的表面涂上一层2Lm 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, 一些石墨薄片就附着在硅片上。将硅片臵于丙酮中, 超声除去较厚的石墨薄片, 而薄的石墨薄片( d< 10nm) 就被牢固地保留在SiO2 表面上( 这归结于它们之间较强的范德华力和毛细管作用力) 机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法。这种方法的缺点是: 费时费力, 难以精确控制,重复性较差, 难以大规模制备。
( 2) 印章切取转移印制法[23]
在印章突起的表面上涂上一层/ 转换层0 ( 可用树脂类材料通过旋转涂布法均匀涂于表面, 其作用像胶水那样黏附石墨烯) , 在
300psi 及室温下, 将这种印章按压在石墨上, 高压下印章边缘产生极大的剪应力, 使得石墨烯层从石墨上分离下来。类似地, 将石墨烯层从印章上转移到器件上同样需要/ 固定层0( 要求这种/ 转换层0与石墨烯间的作用力远大于/ 转换层0与石墨烯间的作用力) , 经类似的操作使得石墨烯从印章上剥落下来。印章切取转移印制法操作简单, 但难以制备单层石墨烯, Stephen 等[ 23] 通过此方法得到的多为四层的石墨烯( 厚度约为113nm) 。
化学方法
( 1) SiC 热解的外延生长法[24 ) 28]首先, 样品经过氧化或H2 刻蚀表面处理, 然后在超高真空下( 1 @10- 10 Torr) 经电子轰击加热到1 000 e , 除去氧化物, 并用俄歇电子能谱(AES) 监测, 当氧化物完全去除后, 加热样品至1 250 )1 450 e , 这时将形成石墨烯层, 石墨烯的厚度与加热温度相关, 且可通过AES( 入射能为3keV) 中Si( 92eV) 和C ( 271eV) 的峰强度测定石墨烯的厚度。这种方法可得到单层和双层石墨烯, 但其缺点在于: 难以大面积制备, 成膜不均匀; 条件苛刻, 高温> 1 100 e , 超高真空10- 10Torr ( 成本高) 。# 2561 # 第12 期徐秀娟等石墨烯研究进展( 2) 化学气相沉积(CVD) 法[29, 30]化学气相沉积( chemical vapor deposition, CVD) 是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应, 生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面, 进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。Dato 等[ 31] 报道了一种新型等离子体增强化学气相沉积法, 乙醇液滴
作为碳源, 利用Ar 等离子体合成石墨烯, 极大地缩短了反应时间。( 3) 氧化2分散2还原法( 含氧化2修饰2还原法)
这是目前应用最广泛的合成方法。它是将石墨氧化得到溶液中分散( 借助超声、高速离心) 的石墨烯前体, 再用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。常见的氧化方法有Brodie 方法以及Staudenmaier 方法[ 34] , 其基本原理均为先用强质子酸处理石墨, 形成石墨层间化合物, 然后加入强氧化剂对其进行氧化。其中, Brodie 方法采用发烟硝酸及KClO3 作为氧化剂。Staudenmaier 法用浓硫酸和发烟硝酸混合酸对石墨进行处理, 同样也是以KClO3 为氧化剂。Hummer 方法则使用浓H2SO4、NaNO3 及KMnO4 作氧化剂, Hummer 的实验表明如果得到的氧化石墨烯含氧量比较高时呈现黄色, 低时则呈现黑色[ 32] 。关于氧化石墨烯的制备, 杨永岗等[ 35] 也做了较详细的总结。此外, 间氯过氧苯甲酸(MCPBA) 也可以作为氧化剂[ 36] 。常用的还原方法有水合肼
以乙醇和钠为原料通过溶剂热法可制备克量级的石墨烯, 不仅产率提高, 而且也解决了以上这种方法所带来的环境污染问题, 符合绿色化学的要求。
制备工艺
石墨烯( g raphene) 是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体, 是构建其他维度碳质材料( 如0D 富勒烯、1D 纳米管、3D 石墨) 的基本单元[ 1] 。2004 年, 英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim 等[2] 用一种极为简单的方法剥离并观测到了单层石墨烯晶体。在发现石墨烯以前, 石墨烯主要用于C60 , CNT 的构建模型。大多数物
理学家认为, 热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量, 石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象, 具有优异的电学、热学和力学性能。所以, 它的发现立即震撼了凝聚态物理界, 并迅速成为物理、化学、材料等众多学科的研究热点。本文分析了1 年有关石墨烯的论文, 对石墨烯的制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。1 石墨烯的制备机械剥离法[2] 、加热SiC 法[35] 是制备石墨烯的典型方法, 但这些方法制备的样品存在一定缺陷, 不能反映理想石墨烯的本征物性。随着对石墨烯研究的不断深入, 近1 年来新的制备方法不断涌现, 主要有以下几种:
1.外延生长法
外延生长法是利用生长基质的结构种! 出石墨烯。Pan等[6] 以含碳的钌单晶在超高真空环境下高温退火处理, 使元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜, 通过优化生长条件获得了理想的毫米级外延石墨烯二维单晶材料。低能电子衍射结果证实了石墨烯样品毫米级的高度有序性。这种高质量石墨烯的获得, 为石墨烯基础问题的深入研究及其进一步在器件方面的应用提供了一种新方法和理想体系。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀, 且石墨烯和基质之间的粘合会影响碳层的特性。
2.CVD 法
CVD 法可获得大面积, 厚度可控的高质量石墨烯, 并与现有的
半导体制造工艺兼容。Kim 等[7] 采用CVD 法成功制备了高质量石墨烯。他们首先在SiO2 / Si 衬底上沉积厚度为300 nm 的金属Ni, 然后将样品放臵于石英管内, 在氩气气氛下, 加热到1000 ? , 再通入流动的混合气体( CH4 # H2 # Ar=50 # 65 # 200) , 最后在氩气气氛下, 快速冷却( 冷却速率为~10 ? s- 1 ) 样品至室温, 即制得石墨烯薄膜。把镍用溶剂腐蚀掉以使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面, 进而可以把石墨烯转移到任何所需的衬底上。用制作镍层图形的方式, 能够制备出图形化的石墨烯薄膜。他们发现, 这种快速冷却的方式, 是后期从基体上有效分离石墨烯片的决定性因素。此法制得的样品未经强烈的机械力以及化学药品的处理, 从而保证了石墨烯样品的结晶完整度, 以期获得高导电性和高机械性能的石墨烯片。Wei 等[ 8] 采用硫化锌纳米带作为模板, 通过化学气相沉积法成功制备了石墨烯带, 实现了对石墨烯形状的控制, 并制备了石墨烯带的纳米机电原型器件, 先前的方法制备出的石墨烯的形状基上都是无规的, 而模板CVD 法的提出, 使得大规模可控地合成具有规则形貌的石墨烯成为现实。
3.氧化石墨还原法
氧化石墨还原法是以鳞片石墨为原料, 经过一系列的氧化获得氧化石墨[9] , 氧化石墨再经还原而获得石墨烯的方法。Li 等[10] 利用还原氧化石墨的方法, 在没有任何化学稳定剂的情况下, 通过控制石墨层间的静电力, 制备出了在水中稳定分散的石墨烯悬浮液。该种方法可制备出大量廉价的石墨烯材料, 可应用于抗静电涂
层、柔性透明电子设备、高性能组件和纳米医学。Vincent 等[ 11] 将氧化石墨纸直接放入水合肼中, 通过水合肼的还原将氧化石墨上的氧化官能团除去, 从而制得单层石墨烯的水合肼溶液。由于石墨烯周围分布大量的负电荷, 这种悬浮液通过静电斥力可稳定存在几个月而不发生沉降。此法制得的最大石墨烯片约为20m ? 40m, 可应用于纳米电子器件、场效应晶体管等领域。鉴于Hummers 法制备氧化石墨耗时, 且对其官能团的功能化难以控制, Shen 等[ 12]以过氧化苯甲酰为氧化剂, 利用过氧化苯甲酰的插入作用, 可以快速、简便、大批量制备氧化石墨及石墨烯。进一步对其表面功能化, 这种氧化石墨烯薄片可以溶于不同的溶剂, 扩大了石墨烯的应用领域。但是氧化石墨还原法制备的石墨烯也存在一定缺陷: 经过强氧化剂氧化过的石墨并不一定能够完全还原, 导致其一些物理、化学等性能损失, 尤其是导电性。但是这种方法简便且成本较低, 可实现石墨烯的批量生产。
4.剥离,再嵌入-扩涨法
氧化石墨还原法制备石墨烯过程中, 天然石墨难以完全氧化, 所制备的样品导电性差。基于此, Li 等[ 13] 提出剥离再嵌入
扩涨法, 制备出高质量的石墨烯片( GS) 。即室温下将预处理的石墨用发烟硫酸氧化24h, 过滤洗涤后将样品臵于DMF 和TBA 的混合液中超声5min; 样品放臵3 天使TBA 完全进入石墨层间, 之后于甲氧基聚乙二醇磷脂酰乙醇胺( Phospholipid PEG) 中超声1h, 即可制得石墨烯片。此法制备的石墨烯在有机溶剂中稳定悬浮, 室温
及低温下表现出极高的导电性, 比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高两个数量级。他们通过LB 膜组装技术, 将悬浮在溶剂里的石墨烯一层一层地转移到固体表面, 制成大面积的透明导电膜。高质量石墨烯及其LB 膜的制备对未来石墨烯的大规模应用具有重要意义。然而在制备单层高导电性的石墨烯及批量化生产方面有待进一步研究。
5.有机合成法
相对于其他方法, 通过自下而上的有机合成法可以制备具有确定结构且无缺陷的石墨烯纳米带, 并可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰。苝酰亚胺是由苝核和具有强吸电子能力的酰亚胺基团构成, 其bay 位提供了丰富的化学反应的可能性。Qian 等[1415] 以苝酰亚胺为重复单元, 通过偶联反应将两分子苝酰亚胺沿其bay 位结合在一起, 合成出二并苝酰亚胺, 并沿其bay 位构筑宽度受限( 1nm 左右) 、长度可控的石墨烯纳米带, 这实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成。在以上工作基础上, 研究人员发现四溴苝酰亚胺在碘化亚铜和L脯氨酸的活化下可以实现多分子间的偶联反应, 得到了不同尺度大小的并苝酰亚胺, 实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成, 通过高效液相分离了两种三并苝酰亚胺异构体, 进一步地结合实验方法和理论计算明确阐明了其结构。这类具有酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带具有新颖的结构、特殊的光电性质和潜在的应用价值.
由纳米管(MCNTs) 制造石墨烯带(GRNs)之前, 研究人员使用化学药品或超声波将石墨烯切成带状, 但该方法无法用来大规模制造石墨烯带, 也无法控制其宽度。James 小组[ 16] 和Dai 小组[17] 分别使用碳纳米管成功地制造出几十纳米宽的石墨烯纳米带。Dai 小组使用从半导体工业借鉴过来的蚀刻技术切开纳米管, 他们将4~ 18nm 的MC NT s 沉积在Si 沉底上, 利用旋转喷涂技术在MCNTs 表面涂覆一层300nm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯( PMM A) 薄膜, 接着使用经过电离的氩气来蚀刻每个纳米管的每一个条带( 由于刻蚀时间不同, 可获得不同层数的GRNs) , 最后利用丙酮蒸气去除PMMA, 并于300 ?下煅烧10min 去除剩余的聚合物, 从而得到10~ 20 nm 的GRNs。James 小组则使用高锰酸钾和硫酸的混合物, 在比较温和的条件下, 沿着一个轴心打开纳米管, 他们得到的丝带要宽一些, 大约为100_500nm。这些丝带虽不是半导体, 但更容易大规模制造。James 相信, 他的丝带能用来制造太阳能电池板、可弯曲的触摸显示屏, 还能够制成轻薄、导电的纤维, 以取代在飞机和宇宙飞船上使用的笨重铜线。Dai 研究小组的窄带具有导电性能, 因此在电子工业将具有广泛用途, 他们已使用石墨烯带制造出了基本的晶体管。
应用前景
石墨烯的潜在应用领域
1.储氢材料
储氢材料具有在特定条件下吸附和释放氢气的能力。但目前各种材料的成本都较高, 极大地限制了储氢材料发展。Geor gios 等[ 21] 利用多尺度理论方法研究了一种新型3D 碳纳米结构( 柱状石墨烯) 的储氢能力, 这种柱状多孔纳米结构的孔径及表面积是可调的, 高表面积与适当大小的孔径尺寸是其储氢能力的关键参数。进一步研究表明, 掺杂锂离子之后,室温条件下, 柱状石墨烯的储氢能力高达41g / L。因此, 石墨烯这种新材料的出现, 为人们对储氢材料的设计提供了一种新的思路和材料。
2. 石墨烯纳米复合材料
分子水平上制备的石墨烯纳米聚合物能够显著改善石墨烯的电导率及热导率。Ryan 等[ 22] 通过在石墨烯的悬浮液中直接还原AuCl-4 离子, 制备了石墨烯/ 金纳米复合材料, 还原后的Au 纳米粒子锚固在经油胺修饰的石墨烯片上, SEM 表征说明Au 纳米粒子在石墨烯片上的分散极好, 有望在催化剂、磁性材料、光电材料等方面得到应用。Li 等[ 23] 发展了一
种新颖的, 可以直接、实时观测石墨烯在聚合物中相变的方法。他指出在未来石墨烯聚合物复合材料的应用中, 可通过在石墨烯中引入一定程度的缺陷帮助其维持在聚合物基质中, 否则当温度高于聚合物的玻璃化温度时, 复合材料会因石墨烯的卷曲和褶皱而失去其理想的光学、机械和高导电特性。该项研究工作对于探索二维原子晶体的热动力学特性具有重要的指导意义。
3. 纳米电子器件
石墨烯具有很好的导电性, 其廉价大规模生产可能会极大地促进石墨烯在高传导率集成电路方面的研究。石墨烯很有可能成为组建纳米电子器件的最佳材料, 可能是下一代电子器件的替代品, 用它制成的器件可以更小, 耗能更低, 电子传输速度更快。然而, Ky le 等[24] 的研究表明, 石墨烯边缘的晶体取向会对其电性能产生相当重要的影响。结果显示, 锯齿型边缘( zigzagedge) 表现出了强边缘态, 而椅型边缘( arm chair edg e) 却没有出现类似情况。尺寸小于10nm、边缘主要是锯齿型的石墨烯片表现出了金属性, 而不是先前预期的半导体特性。石墨烯与碳纳米管不同, 它是平面结构, 因此更适合传统芯片的制造工艺。但这项实验的结果表明, 若要将石墨烯用于纳米电子器件, 必须注重其边缘的工程控制, 以获得统一的材料性能。在5nm 大小的石墨烯片上, 只要有一小段边缘是锯齿型的, 就会将材料由半导体变为导体。
4.可做“太空电梯”缆线
一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！
美国机械工程师杰弗雷〃基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆
石墨烯论文正稿
石墨烯研究进展 雷洪 （中国矿业大学化工学院江苏徐州 221116） 摘要：石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由于碳原子组成的特殊结构使得石墨烯拥有一系类特殊性能，包括特殊的导热性质，电学性质，力学性质等等。特殊的性质使得石墨烯有在很多领域发展的潜力，因此引起了科学界的广泛关注，本文介绍了石墨烯的一些制备方法，性质和应用领域。 关键词：石墨烯制备方法特性应用领域 Advances in graphene research LEI hong (China University of Mining and technology，SCET Xuzhou Jiangsu 221116) Abstract：Graphene is a new material consisting of a single layer of carbon atoms sheet structure，Because of the special structure of carbon atoms makes graphene has a series of special class performance，Including special thermal properties，electrical properties and mechanical properties, etc. Special properties make graphene has the potential in many areas of development，so，it attracted wide attention in the scientific community. This article describes some of graphene preparation methods properties and applications. Keywords：graphene preparation methods properties application areas 0引言 自2004年Novoselov，K．S．等使用微机械剥离法从高定向热解石墨上剥离观测到石墨烯（Graphene）以来，碳元素同素异形体又增加了新的一员.随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学51岁的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁.诺沃肖洛夫之后，“石墨烯”这一专业名词突然进入人们的眼帘，其独特的性能和优良的性质引起了研究人员的极大关注，掀起了一波石墨烯的研究高潮。碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特
石墨烯文献检索
《文献检索与科技论文写作》作业 学生姓名 年级专业 班级学号 指导教师职称
目录 第一部分文献查阅练习 (1) 第二部分文献总结练习 (7) 第三部分科技论文图表练习 (8) 第四部分心得体会 (11)
第一部分文献查阅练习 1、黄毅，陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用.中国科学B辑:化学2009年第39卷第9期:887-896 摘要：石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质.过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点.在石墨烯的研究和应用中，为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性(如分散性和溶解性等)，必须对石墨烯进行功能化，研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作.但是，关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段，对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识.如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战.本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展，并对功能化石墨烯的应用作了介绍，最后对相关领域的发展趋势作了展望. 关键词：功能化应用 2、胡耀娟,金娟.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用. 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)Acta Phys.-Chim.Sin.,2010,26(8)：2073-2086 摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质.有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一.本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词：制备功能化应用. 3、杨永岗,陈成猛,温月芳.新型炭材料.第23卷第3期 2008年9月：193-200 摘要：石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体,也是性能优异的新型纳米复合填料。近三年来,石墨烯从概念上的二维材料变成现实材料,在化学和物理学界均引起轰动。通过述评氧化石墨及氧化石墨烯的制备、结构、改性及其与聚合物的复合,展望了石墨烯及其复合
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。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 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
石墨烯(论文)
石墨烯的制备,特征,性能及应用的研究 内蒙古工业大学化学工程与工艺徐涛 010051 摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的碳! 热潮。分析了近1 年来发表在Science、Nature 等期刊上的关于石墨烯的论文, 对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。 关键字: 石墨烯, 制备, 表征, 应用, 石墨烯氧化石墨烯(GO) 功能化石墨烯传感器 碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料, 它可以形成硬度较大的金刚石, 也可以形成较软的石墨. 近20 年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985 年发现的富勒烯[1]和1991 年
发现的碳纳米管(CNTs)[2]均引起了巨大的反响, 兴起了研究热潮. 2004 年, Manchester 大学的Geim 小组[3]首次用机械剥离法获得 了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯. 石墨烯的发现, 充 实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨 烯到三维的金刚石和石墨的完整体系. 石墨烯是由碳原子以sp2 杂 化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的 苯六元环, 其理论厚度仅为0.35 nm, 是目前所发现的最薄的二维材料[3]. 石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元, 可以翘曲变成零维 的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs[4-5]或者堆垛成三维的石墨(图1). 这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象, 使石墨烯表现出许多 优异的物理化学性质, 如石墨烯的强度是已测试材料中最高的, 达130 GPa[6], 是钢的100 多倍; 其载流子迁移率达1.5×104 cm2〃V-1〃s-1 [7], 是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍, 超过商用硅片迁移率的10 倍, 在特定条件下(如低温骤冷等), 其迁移率甚至可高达2.5×105 石墨烯的热导率可达5×103W〃m-1〃K-1, 是金刚石的3 倍[. 另外, 石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)[10]及室温铁磁性[11]等特殊性质. 石墨烯的这些优异性引 起科技界新一轮的“碳”研究热潮, 已有一些综述性文章从不同方面对石墨烯的性质进行了报道.,本文仅根据现有的文献报道对石墨烯 的制备方法、功能化以及在化学领域中的应用作一综述
石墨烯薄膜制备方法研究
北京化工大学本科生毕业论文
题目石墨烯薄膜制备方法研究 诚信申明 本人声明： 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究生成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其他教育机构的学位或证书而是用过的材料，其他同志对研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。本科生签名：日期：年月日
本科生毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：石墨烯薄膜制备方法研究 学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：化工0805 学生：艾东东指导教师（含职称）：元炯亮副教授专业负责人：刘晓林 1．设计（论文）的主要任务及目标 主要任务：（1）利用Hummers法制备氧化石墨； （2）利用电化学还原法制备石墨烯。 主要目标：配置一定浓度的氧化石墨溶液，导电玻璃作为基底，将氧化石墨溶液涂于导电玻璃表面，在恒电压下还原氧化石墨，制得薄层石墨烯。 2．设计（论文）的基本要求和内容 了解石墨烯国内外的研究现状和发展趋势，以及有关石墨烯的一些制备方法和表征手段，掌握基本的实验操作技能，学会分析实验结果。毕业论文完成后应具备独立进行研究的能力。 3．主要参考文献 [1] 朱宏伟，徐志平，谢丹等.石墨烯-结构、制备方法与性能表征[M].北京：清华大学出版社，2011:36～45 [2]郭鹏.石墨烯的制备、组装及应用研究[D],北京：北京化工大学，2010 [3] Hummers W S, Offeman R E, Preparation of graphite oxide[J].J Am Chem Soc, 1958,80(6):1339 4．进度安排 设计（论文）各阶段名称起止日期 1 前期文献查阅并准备开题2012.2.15～2012.2.29 2 进行相关实验，处理实验数据，分析结果2012.3.1～2012.5.1 3 总结实验结果，编写实验论文2012.5.1～2012.5.20 4 完善毕业论文，进行相关的修改2012.5.20～2012.5.30 5 准备毕业答辩及毕业相关的工作2012.5.30～2012.6.5
毕业论文外文翻译-负载银的掺氮石墨烯概论
学号：10401604 常州大学 毕业设计（论文）外文翻译 （2014届） 外文题目Easy synthesis of nitrogen-doped graphene– silvernanoparticle hybrids by thermal treatment of graphiteoxide with glycine and silver nitrate 译文题目通过水热处理氧化石墨烯、甘氨酸和硝酸银 简便地合成掺氮石墨烯-银纳米粒子复合物外文出处CARBON50(2012)5148–5155 学生王冰 学院石油化工学院专业班级化工106 校内指导教师罗士平专业技术职务副教授 校外指导老师专业技术职务 二○一四年二月
通过水热处理氧化石墨烯、甘氨酸和硝酸银简便地合成氮杂石墨烯-银纳米 粒子杂合物 Sundar Mayavan,Jun-Bo Sim,Sung-Min Choi 摘要：氮杂石墨烯-银纳米粒子杂合物在500℃通过水热处理氧化石墨烯（GO）、甘氨酸和硝酸银制得。甘氨酸用于还原硝酸根离子，甘氨酸和硝酸根混合物在大约200℃分解。分解的产物可作为掺杂氮的来源。水热处理GO、甘氨酸和硝酸银混合物在100℃可形成银纳米粒子，200℃时GO还原，300℃时产生吡咯型掺氮石墨烯，500℃时生成吡咯型掺氮石墨烯。合成物质中氮原子所占百分比为13.5%.在合成各种纳米金属粒子修饰的氮杂石墨烯方面，该合成方法可能开辟了一个新的路径，其在能量储存和能量转换设备方面很有应用价值。 1.引言 石墨烯是所有石墨材料的基本构件，其蜂窝状晶格由单层碳原子排列而成。它表现出与结构有关的独特电子、机械和化学性质，具有较高的比表面积（2630-2965m2g-1）[1–3]。化学掺杂杂原子石墨烯像掺杂氮原子，极大地引起了人们的兴趣，因其在传感器、燃料电池的催化剂和锂离子电池的电极等方面具有应用潜力[4–6]。氮原子的掺杂改变了石墨烯的电子特性和结构特性，导致其电子移动性更强，产生更多的表面缺位。氮原子上孤对电子的存在改进了石墨烯的活性和催化性能。在碱性条件下，与已商业化的Pt催化剂相比，掺氮石墨烯（NG）在氧化还原反应（ORR）中活性更高，稳定性更强[5]。因掺氮石墨烯中氮原子电子接受能力较高，其可以创造出碳正粒子促进氧的吸附，所以NG 在ORR反应中表现出较高的活性。Pt纳米粒子负载在NG上比负载未掺杂石墨烯上催化电化学反应时活性和稳定更高。Pt负载在NG上比负载在石墨烯上具有更高的能量密度，因为它增加了NG的导电性，提高了对Pt的吸附力[7]。最近有报道，在NG上长出的CO3O4纳米晶体催化剂具有较高的氧化还原活性[8]，这增加了NG催化剂的应用前景。 NG的合成方法主要有化学气相沉积法（CVD）、在氮前驱体存在的石墨烯弧光放电法、激光烧蚀、氮或氨等离子处理法[9-11]。所有这些合成方法各有特点，但均能耗高、使用昂贵的设备、反应条件苛刻、处理特殊、反应步骤多。本文以氧化石墨烯（GO）为原料，提出了一种简单的合成氮杂石墨烯-Pt纳米粒子杂合物的方法。水热法处理GO、甘氨酸（GLY）和硝酸银制备上述杂合物。甘氨酸作为辅助原料，以减少硝酸根离子的用量，使用甘氨酸-硝酸盐混合物在150~200℃发生分解反应。分解产物作为掺杂氮的来源，同时还原表面氧官能团。与Pt负载在未掺杂石墨烯上，NG-纳米粒子杂合物显示出了良好的活性和电催化稳定性。 2.实验部分 2.1NG-Ag催化剂的合成 先采用改进的Hummers方法以天然石墨粉为原料制备GO。X射线衍射和热重分析法证实所合成物质为氧化石墨烯[12,13]。GO与甘氨酸、硝酸盐（硝酸银或硝酸钯）按重量比1：2：2的比例溶解于水中。混合物超声处理两个小时，然后倒入氧化铝坩埚。在
石墨烯相变材料论文
石墨烯相变材料的研究 摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。 关键词：热存储相变材料储热材料石墨烯 前言： 在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。 石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。它是构建其他维度炭质材料的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实现复合材料传热和储热一体化。 本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论。 正文 1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验。试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、112次、200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了3℃左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。
石墨烯外国文献翻译
石墨烯基础材料的光电特性 Inhwa Jung 在这研究报告中，石墨烯基础材料的光电性能被调查，特别是研究具有氧化石墨单层的石墨烯氧化物的物理和化学性质和它的化学简式与石墨的不同。尽管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到现在特殊层还没被深入研究，与我们正在研究的石墨烯氧化物比较，物理学家在原始石墨烯(石墨的一个层)发现了卓越的物理输送特性同时也显示石墨烯在纳米电子方面的潜力;这提高我们对包括石墨烯氧化物在内的化学法改变石墨性质的兴趣。 从石墨烯的光学性质方面来看，为了识别和测量石墨烯基底的有效光学性质，由于由硅上的薄介电层组成的基底的作用，一个直截了当的方法被提出。通过这个方法和优化介电层的厚度，获得石墨烯基底独特晶片和基底的的巨大差别。选择合适的光学性能和介电层的厚度，氧化石墨的有效折射率和光学吸收系数可以减少氧化石墨，通过对比预测与实际测量的差别可以获得石墨烯。 椭圆光度法成像是一种为光学成像和表征超薄材料（1nm~）例如特殊化学法改变的石墨烯晶片和少层氧化石墨烯晶片保持电势的方法，单独使用椭圆光度法成像无论能否确定它的光学性质和厚度都是非常有趣的，传统的光谱椭圆光度法也可以应用到比特殊晶片宽数毫米的多层叠加的氧化石墨上。利用两种成像方法得到的结果对比最大的区别在于光学性质的差异。观察热处理过的单体和多层叠加，多层叠加和单层的区别类似氧化石墨（无论是特殊晶片还是多层叠加）的对比结果。分别从轮廓仪和AFM得到厚度，解释厚度和光学性质在热处理时会改变的模型被提出。 电学特征是前面提及的异常原始石墨性能基本的技术领域，通过在真空中加热单层石墨氧化物(沉积于基体)对材料的电阻率进行了监测。通过监测随时间和温度响应的电导率能够表明,导电率的变化可能与一个激活的化学过程有关, 并由此可以获得活化能(势垒高度)。通过高达85 S/m的时间温度曝光可以知道单层的氧化石墨的导电率，其次在真空中加热并与气相肼发生化学还原可以成倍地得到更高的导电率，如原始石墨一样，氧化石墨导电率对电场方向很敏感，伏安测量还表明，氧化石墨的电气性能与石墨烯存在差别。 在特殊气体中对石墨氧化物进行初步的灵敏度的测量，结果表明石墨氧化物可以作为传感器的材料，于是用以测量灵敏度和特殊气体浓度的方案被提出和讨论，该方法建立在光学检测上，因此这篇论文会涉及光学特性在实际生活中的潜在应用。
石墨烯纳米材料(论文)
《应用胶体化学》论文大作业 ——石墨烯纳米材料 姓名：杨晓 学号：200900111143 年级：2009级 2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录 引言 (4) 一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4) 二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5) 2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5) 2.1.1 国外研究 (5) 2.1.2 国内研究 (8) 2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11) 三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11) 3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11) 3.1.1 实验试剂 (11) 3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11) 3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12) 3.2.1 试剂和仪器 (12) 3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12) 3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12) 3.3.1 石墨烯的制备 (12) 3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14) 3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14) 3.4.1 石墨烯的制备 (14) 3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15) 3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16) 3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16) 3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16) 3.5.3 加热SiC的方法 (17) 3.5.4 化学分散法 (17) 四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17) 4.1 石墨烯 (17) 4.2 氧化石墨烯 (18) 4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18) 4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18) 五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18) 参考文献 (20)
多层石墨烯杨氏模量的分子动力学研究
湘潭大学毕业论文题目：关于多层石墨烯杨氏模量的研究 学院：材料与光电物理学院 专业：物理学 学号： 2010700123 姓名：王春森 指导教师：张凯旺 完成日期： 2014年5月17日
摘要 本文采用分子动力学（MD）方法，利用圆膜弹性理论，对独立式悬置圆膜石墨烯进行纳米压痕模拟获得石墨烯的杨氏模量，主要研究结果如下： 1.根据扰度大小的不同，采用分阶段研究的方法，研究了多层石墨烯的杨氏模量。在扰度较小的情况下，压头对薄膜形变的影响比较小，适用点加载理论，而在扰度较大的情形下，压头的大小对石墨烯形变的影响比较大，应考虑球形压头大小对杨氏模量计算的影响。本文采用球形压头加载模式对扰度较大时的数据组进行了分析，得到了1、3、5层石墨烯的杨氏模量为1.00TPa、1.01TPa、1.03TPa。 2.分析了采用大扰度区间数据进行拟合的原因，提出点加载模型过渡到球加载模型时修正因子有待完善的观点。 3.分析了压头的半径的大小、圆膜尺寸的大小对薄膜杨氏模量计算值的影响。数据结合理论分析，我们认为压头曲率半径和薄膜半径的选取对石墨烯杨氏模量值影响不大。 结合实验数据和理论上需要修正的因素得出石墨烯杨氏模量值与层数关系不大，均应等于块体石墨的杨氏模量值，为1.00TPa左右。 关键词：多层石墨烯；杨氏模量；修正因子； Abstract This paper adopts molecular dynamics method (MD) and using circular membrane elastic theory to study the Young’s modulus of free standing circular membrane Multi-graphene. The main contents of this study are as follows: 1.According to the different stages of the deflection, we make studies respectively. In small deflection, the indenter is little effect to the film deformation character, point indenter loading model is suitable for depicting the force loading; In larger deflection, the affection of the film deformation caused by indenter should not be ignored, and loading should be taken as spherical indenter loading model. We using larger deflection data sets and taken spherical indenter loading model, got the simulation number of Young's modulus values of 1,3,5 layers graphene are 1.00TPa, 1.01TPa, 1.03TPa. 2.We analysis the reason why the dates of large deflection is much better to fitting the graph and we posed that correction factor from point indenter loading model to spherical indenter model could be consummate. 3.Analyzes the impact on the calculate results by the radius of the indenters, the size of the membrane. And we got the impact is tiny. Taking the simulation results and theoretical correction account, we think the Young’s modulus of different layers are the same equal to the bulk graphite modulus 1.00TPa。 Key words: Multi-graphene. Young's modulus Correction factor
石墨烯材料简介
石墨烯材料简介 在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。 关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28′。得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。因此金刚石是自然界中坚硬的材料。而当碳原子表现为sp2杂化时，碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合；第四个价电子成为共有化电子：未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系，柔软的石墨和某些烷烃中的碳原子即以此形式存在。
文献综述英文
石墨烯外延生长及其器件应用研究进展 高材1103刘铭2011012074 摘要: 石墨烯具有优异的物理和电学性能, 已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一. 本文简单介绍了石墨烯的物理及电学特性, 详细评述了在众多制备方法中最有希望实现石墨烯大面积、高质量的外延生长技术, 系统论述了不同SiC 和金属衬底外延生长石墨烯的研究进展, 并简要概述了石墨烯在场效应晶体管、发光二极管、超级电容器及锂离子电池等光电器件方面的最新研究进展. 外延生长法已经初步实现了从纳米、微米、厘米量级石墨烯的成功制备, 同时可实现其厚度从单层、双层到少数层的调控, 有望成为高质量、与传统电子工艺兼容、低成本、大面积的石墨烯宏量制备技术, 为其器件应用奠定基础. 关键词: 石墨烯、外延生长、器件、进展; 2004年, 英国Manchester大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫[1]通过胶带剥离(亦称微机械力分裂法: Microfolitation)高定向石墨, 首次制备出独立存在的、只有一个原子层厚度的二维晶体结构—石墨烯. 它推翻了“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的定论, 开启了一扇基于二维体系的理论和实验研究大门. 石墨烯因其晶体和电子结构而具有独特的物理现象, 被认为是未来新一代的半导体材料, 在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广阔的应用前景. 1 石墨烯基本特性 Partoens 等[2]研究发现, 当石墨的堆垛原子层数少于10个单原子层时, 石墨层就会具有与普通三维石墨不同的电子结构. 一般将10层以下的石墨结构统称为石墨烯. 单层石墨烯的晶体结构如图1(a)所示[3], 是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 厚度只有0.335nm, 相当于头发丝直径的1/200000. 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(Fullerene)(图1(b)), 卷曲成一维(1D)的碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)(图1(c))或者堆垛成三维(3D)的石墨(Graphite)(图1(d)). 因此, 石墨烯被认为是构成其它碳材料的基本单元. 1.1 力学特性 石墨烯是目前已知最薄的材料, 厚度仅有0.335nm. 其C?C 键仅为0.142nm, 石墨烯中的每个碳原子与其它3个碳原子通过强σ键相连[4], C?C键(sp2)使其成为已知最为牢固的材料之一. 它比钻石还坚硬, 强度比钢铁高100 倍. 石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧, 当施加外力于石墨烯时, 碳原子面会弯曲变形, 使得碳原子不必重排以适应外力, 从而保持结构的高稳定性. 迄今为止, 尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况, 即六边形晶格中的碳原子均未丢失或发生移位. 稳定的晶格结构还赋予了石墨烯优异的导热性. 石墨烯因其优异的力学特性(石墨烯的力弹性系数为105N/m, 杨氏模量达0.5TPa[4]), 有望解决微型处理器制造过程中所遇到的压力问题, 再加上其出色的电子特性, 有望成为未来制造微型处理器的首选材料[5]. 1.2 电学性质 碳原子有4 个价电子, 其中 3 个电子生成sp2键, 即每个碳原子贡献一个未成键的电子位于pz轨道, 近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向形成π键, 为半填满状态, 电子可在二维晶体内自由移动, 因此石墨烯具有良好的导电性[6]. 其电子以光速的1/300 移动, 具有相对论粒子特性[7], 并可不通过散射而进行亚微细距离移动, 使得隧道单分子晶体管的设想成为现实. 另外, 其电子在轨道中移动时, 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射. 鉴于原子间作用力十分强, 在常温下, 即使周围碳原子发生挤撞, 石墨烯内部电子输运受到的干扰也非常小. 它的电子迁移率在室温下可以超过15000cm2/(V·s)[7], 即使在电场引起
石墨烯论文
关于石墨烯的研究 摘要：石墨烯是2004年才发现的新型材料，它是碳原子组成的平面结构。具有单一原子或几个原子的厚度。石墨烯因具有独特的电子结构。是迄今为止人类发现最早的二维电子系统。 关键词：石墨烯的制备：石墨烯特性：石墨烯结构：石墨烯应用 0引言： C是最神奇的元素，自然界中碳也是组成物质最多的元素，给人类带来了很多财富石墨也是人类最常见的材料。在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨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2 600m2Pg ,具有突
出的导热性能( 3 000W·m- 1·K- 1 ) 和力学性能(1 060GPa) , 以及室温下较高的电子迁移率(15 000cm2·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。但长久以来，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年，英国曼彻斯特大学的A. Geim 教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米（约为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。 1石墨烯制备 2石墨烯的结构
单双层石墨烯的性质与研究
学校代码10722学号1007212119分类号密级公开 本科毕业设计（论文） 题目: 单双层石墨烯的性质与研究 Single layer graphene properties and research 作者姓名:马龙 专业名称: 物理学 学科门类: 理学 指导教师: 王党朝 提交论文日期:二○一二年五月 成绩等级评定:
单双层石墨烯的性质与研究 摘要 石墨烯是碳原子以sp2杂化形成的六角晶格结构的二维材料，具有卓越的力学、热学、电学和光学等性质，有望应用在高迁移率晶体管、高灵敏度传感器、触摸面板、蓄电池等多种新一代器件等领域。由于不同层数的石墨烯具有截然不同的性质，又以单层和双层石墨烯的差别最大，本文对此阐述和比较，希望能够推进石墨烯的应用化进程。 关键词：石墨烯，单层石墨烯，双层石墨烯 Abstract In 2004，d-will graphite surfaces，stir the whole world. Now already in the past eight years，the research of graphite surfaces heat still don't reduce. Graphite surfaces is made from carbon atoms two-dimensional crystal，general thickness direction for single or double atomic layer atomic layer carbon atoms are arranged.，the more concrete is Graphene (graphite surfaces) carbon atoms heterozygous form to sp2 hex lattice structure of 2 d materials. Since the discovery，has it in the mechanical，thermal，electricity，etc caused the great wave of research，in many aspects have made amazing results. Such as high-speed transistors，high sensitivity sensor，laser，touch face plate，storage battery and efficient battery and so on the many kinds of Yang can a new generation of devices core materials. This paper reviews the miao-yi graphite surfaces in the found and development，this paper discusses the nature of the single layer graphite surfaces，the prospect of graphite surfaces have may bring us more bright future. Keywords: graphene; the nature of the single graphite surfaces; double graphite surfaces of nature
毕业论文氧化石墨烯烷基化改性和结构表征研究
毕业设计（论文） 文献综述 题目氧化石墨烯的烷基化 改性及其结构表征研究 专业 班级 学号 姓名 指导教师 2014 年
氧化石墨烯的烷基化改性及其结构表征研究 摘要：本文主要对石墨烯的结构、性能、特征进行了介绍，并对石墨烯以及改性石墨烯的制备方法进行了归纳总结，评价了改性对于石墨烯性能的影响，并对其应用前景进行了总结。 碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IV A 族。由碳元素组成的碳质材料具有多样性、特异性、广泛性等特点。近20 年来，碳质纳米材料一直处于科技研究的前沿领域。2004 年，Geim 等[1]人首次利用胶带剥离高定向热解石墨的方法获得了单层和薄层石墨烯，更是激起科学界对碳质纳米材料的又一轮研究热潮。石墨烯是目前已知的最薄的二维材料。完美的石墨烯具有理想二维晶体结构，具有特殊的力学、电学、光学和热学特性，包括出色的力学性能（1060 GPa）[2]，高热导率3000J/( m· K·s)[3]，室温下高速的电子迁移率20000 cm2( V· s)[4]，高的理论比表面积2600 m2/g[5]等。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应[6]等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，全世界正掀起一股石墨烯研究的热潮。 为了更好地利用石墨烯的这些特性, 研究者采用了多种方法制备石墨烯。随着低成本可化学修饰石墨烯的出现, 人们可以更好地利用其特性制备出不同功能的石墨烯复合材料。本文将着重介绍石墨烯及改性石墨烯的制备及表征情况。 1.石墨烯介绍 氧化石墨是由布朗斯特酸-石墨层间化合物在强氧化剂（如高锰酸钾、高氯酸甲等）作用下并且经水解而成的具有准二维层状结构的共价键型石墨层间化合物。氧化石墨的结构和性质取决于合成它的方法，氧化石墨仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距（约0.7nm）大约是石墨中层间距的两倍，一般认为其重复层间距Ic介于6至11?之间。扫描隧道显微镜表明在氧化石墨中某些区域，氧原子以0.27 nm × 0.41 nm的晶格常