石墨烯的光电性质(论文)设计

毕业设计题目：《石墨烯的光电性质》

石墨烯的光电性质

摘要

石墨烯是目前发现唯一存在的二维自由态原子晶体。其独特的二维结构和优异的电学、光学、力学以及热学性能，是当前纳米材料领域的研究热点之一。本文综述了石墨烯的制备方法，介绍了其光学、电学性能及在光电应用中的研究进展。同时，对目前石墨烯在光电领域的发展趋势进行了展望。

采用聚苯乙烯作为固体碳源，通过化学气相沉积法制备大面积石墨烯。相对于传统的气态碳源，聚苯乙烯的结构本身具备键能较弱的C-H 键。聚苯乙烯分解后产生的气态含苯环活性小分子在相对较低的温度下很容易脱氢形成活性化的碳基团。这一优异性质有助于在低温条件下催化生长石墨烯。研究表明，聚苯乙烯的加热温度是控制石墨烯层数和质量的关键因素。聚苯乙烯分解后得到的碳基团的浓度在整个石墨烯的化学气相生长过程中发挥了关键性的作用。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型晶格单原子层二维晶体。石墨烯有许多独特的性质，它是零带隙的半金属半导体材料，具有超高的费米速度（光速的1/300)、载流子迁移率（达到200,000 cmV's"1)和热导率(-5000 W/mK),良好的透光特性（单层石墨烯的吸收~2.3%)和优异的力学性能（弹性模量和抗拉强度分别达到l.lTPa和125GPa)，因此在透明电极、晶体管、传感器、能源存储、高强度复合材料等方面存在广泛的应用前景。

关键词石墨烯，光电性能，合成，应用；固态碳源，聚苯乙烯，单层石墨烯，毫米级石墨烯晶畴，光电性能，形核控制，人工籽晶，掺杂；纳米结构，表面增强拉曼光谱，多孔石墨烯，氧化锌，光电探测器

Photoelectric Properties and Applications of

Graphene

Abstract

Graphene is a two-dimensional atomically thick crystal with carbon atoms arranged in a honeycomb lattice．It is regarded as one of the most promising candidates for future nanoelectronics due to its novel two-dimensional structure and excellent electrical and optical properties．In this review，different methods for preparing graphene were compared，the electric and optical properties of it were introduced，and the applications of graphene in electric and optical fields were summarized．At last，problems and tendency of graphene development of electric and optical in the future were also discussed．Graphene was synthesized by chemical vapor deposition using polystyrene as a solid carbon source. C-H bonds on polystyrene are relatively weak compared with the widely used gaseous carbon sources. The molecules decomposed from polystyrene could be easily dehydrogenated into activated sp2structured carbon related radicals, which were helpful for promoting the formation of graphene at low temperature. This result also indicates that the heating temperature of solid precursor is a critical factor to control the number of graphene layers. The densities and motions of the active radicals play a critical role in the overall synthesis of the monolayer graphene.

Keywords graphene，photoelectric properties，synthesis，application；

solid carbon source，polystyrene，monolayer grapheme，

millimeter-sized graphene，optical ，electrical properties，

nucleation control，artificial seed，doping；nanostructure，

SERS，graphene nanomesh，ZnO，photodector

目录

摘要..................................................................................................................... II Abstract .............................................................................................................. I II 第1章绪论.. (1)

1.1 课题背景 (1)

1.1.1 石墨烯的光电性能及其应用 (1)

1.1.2 化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性能研究 (1)

1.1.3 石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究 (1)

第2章石墨烯的光电性能及其应用 (2)

2.1 石墨烯的制备方法 (2)

2.1.1 微机械剥离法 (2)

2.1.2 晶体外延生长法 (2)

2.1.3 胶体悬浮液法 (2)

2.2 石墨烯的光电性质 (2)

2.3 石墨烯光电应用领域 (3)

2.3.1 光电探测器 (3)

2.3.2 透明导体 (3)

2.3.3 显示器和光线发射器 (3)

2.3.4 触摸屏 (4)

2.3.5 光学调制器 (4)

2.4 本章小结 (5)

第3章化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性质研究 (6)

3.1 石墨烯简介 (6)

3.1.1 石墨烯的发现 (6)

3.1.2 石墨烯的结构形态 (6)

3.1.3 石墨烯力学特性.............................................. 错误！未定义书签。

3.1.4 超大的比表面积 (6)

3.1.5 热学性能.......................................................... 错误！未定义书签。

3.2 石墨烯的CVD 法制备、性能和结构表征 (7)

3.2.1 主要实验设备及原材料 (7)

3.2.2 固态源CVD 法生长石墨烯设备的改造 (7)

3.2.3 金属衬底表面预处理工艺 (8)

3.2.4 化学气相沉积法制备石墨烯的工艺 (9)

3.3 本章小结 (9)

第4章石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究 (10)

(10)

4.1.1 研究背景 (10)

4.2 多孔石墨烯纳米结构的制备及表面增强拉曼研究 (10)

4.2.1 多孔石墨烯的研究现状 (10)

4.3 本章小结 (11)

结论 (12)

参考文献 (13)

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1石墨烯的光电性能及其应用

2004 年，英国曼彻斯特大学Geim 等通过机械力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层。由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成蜂窝状二维碳质材料，为单原子层厚度的石墨材料。同时，石墨烯独特的结构使其具有完美的量子隧道效应和量子霍尔效应等特殊的性质。由于石墨烯新奇的光电性质，不断吸引着物理、化学、材料等相关领域科学家极大的注目，尤其是半导体纳米材料前沿领域。本文综述了石墨烯的制备方法、光电性能以及在光电方面的应用评价。

1.1.2化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性能研究

在采用含苯环碳源制备高质量大面积石墨烯的基础上，本论文采用柠檬酸钠还原法实现了石墨烯层间的银纳米粒子掺杂。1-4 层AgNO3层间掺杂的石墨烯的光电性能已经高于透明导电薄膜工业化应用最小值。基于这种廉价的碳源和工艺简单且低成本的掺杂工艺，有望在高效低成本的化学气相沉积法的基础上可以进一步促进廉价和高品质大面积石墨烯的产业化应用。

1.1.3石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究

我们发展了一种通过金属纳米颗粒局域催化分解碳制备多孔石墨烯的新方法，并将之应用于表面增强拉曼光谱。通过拉曼光谱表征和电输运测量，我们推断多孔石墨烯中大量的边缘结构可实现自发的型掺杂，从而导致显著的拉曼化学增强。此外，多孔石墨烯的孔洞边缘还可以高效吸附待测分子，实现对分子拉曼增强的快速检测。这些结果表明，多孔石墨烯可以用作一种快速、高效拉曼增强检测的优质衬底。

第2章石墨烯的光电性能及其应用

2.1石墨烯的制备方法

石墨烯制备研究已取得丰硕成果，发展了微机械剥离、化学气相沉积、晶体外延生长、胶体悬浮液法等多种制备方法。在下面我们总结了各种合成方法，并讨论了它们的优缺点以及其应用前景。

2.1.1微机械剥离法

2004年，首次制得的石墨烯就是通过机械剥离法。这种方法是借助摩擦石墨表面获得的片层，最终通过筛选，获得单层的石墨烯薄片。该方法工艺简单、成本低廉。但是机械剥离制得的石墨烯在结构上不完整，对石墨烯的属性研究是无价值的，并且这种方法获得石墨烯尺寸不易控制，无法满足应用要求。石墨烯优越的电子迁移性质需要较大规模的石墨烯。此方法利用摩擦石墨表面获得的片层来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨烯薄片。

2.1.2晶体外延生长法

外延生长法是在晶体结构上通过晶格匹配生长出另一种晶体的方法。在二十世纪九十年代中期，人们就已经发现SiC 单晶加热至一定温度会发生石墨化现象。因此SiC 外延生长可制得单层和多层的石墨烯。SiC 单晶外延生长石墨烯的基本工艺如下: 首先把经过氧化或H2刻蚀处理过的SiC 单晶片置于超高真空和高温环境下，利用电子束轰击SiC 单晶片除去表面氧化物，然后在高温条件下将其表面层中的Si 原子蒸发，使其表面的碳原子发生重构。

2.1.3胶体悬浮液法

胶体悬浮液法是利用拥有大量的羟基、环氧基和羧基等基团的氧化石墨为前驱体，超声剥离制得石墨烯。最后过滤、洗涤、真空干燥得到氧化石墨。然后再通过化学法将氧化石墨烯还原为石墨烯。该法原料来源丰富、价格低廉，为石墨烯的大规模、低成本生产提供了可能。但是，该法经氧化石墨还原后得到的石墨烯存在缺陷，即还原后的石墨烯仍含有部分含氧官能团，从而降低了石墨烯的电导率。

2.2石墨烯的光电性质

在可见光区，单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%，当达到数十层时，会上升到2% 左右。在可见光区，其对可见光的吸收大约为 2.3%。在正常情况下，大部分电子占据低能量状态，只有少数会填充高能量状态。而在粒子数倒转状态下情况正好相反。

2.3.1光电探测器

光电探测器是将光信号或光能转化为电流。传统的光电探测器大多基于传统的半导体材料，它们的性能会受到材料固有属性的限制。与传统半导体相比，石墨烯没有能带隙，可吸收较大波长范围的光。此外，异常高的载流子迁移率使石墨烯成为超快光电探测器的理想材料。这是由于等离子体共振提高了纳米结构的性能，单原子层厚度的石墨烯可以充分地受到等离子体增强效应的影响。此外，泵探针测量证明石墨烯光电探测器表现出较高的响应速度。

2.3.2透明导体

透明导体是触摸屏、发光二极管和太阳能电池等对表面电阻和高透明度要求较高器件的核心部分。当作为电极时，设备必须满足光的传入或传出的条件。传统的透明导体由高度掺杂的半导体氧化物组成，例如氧化铟锡( ITO) 。但是，传统的透明导体的应用受到以下几个因素的限制: 机械的脆性不利于它们作为有弹性的显示器; 铟元素的短缺使得这样的显示器价格居高不下; 铟原子的扩散会污染周围的薄片，并降低设备的性能。为了满足对透明导体日益增长的需求，研发新技术变的尤为迫切。

2.3.3显示器和光线发射器

液晶显示器( Liquid crystal display，LCD) 利用载玻片上剥离的石墨烯作为阴极透明导体，如图2所示。这种单层石墨烯阻值较低，电子传输率高达98%。而相同阻值下，ITO 薄膜的传输率为95%。发光二极管( Light emitting diodes，LEDs) 同其它的光电设备一样，都利用了石墨烯作为透明和灵活的电极。有机发光二极管是一种显示器最新商业化技术，包含有电

利用了碳基透明导体薄膜和碳纳米管。并且，石墨烯作为阳极或阴极。石墨烯在经过氧等离子体处理或被还原氧化石墨修饰之后，可以进行光致发光。

2.3.4触摸屏

目前，触摸屏被广泛应用于手机和数码相机等设备中，并要求具有快速、直观和准确的反应。触摸屏主要有两种形式，分别为电阻式和电容式。图 3 为电容式触摸屏的设计原理图和石墨烯基电阻式触摸屏产品。电阻式触摸屏包括导电衬底、液晶装置面板和透明导体薄膜。

2.3.5光学调制器

光学调制器是利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。它们常常用于芯片上光学互联，并且在针对电气连接的局限性如高损耗、串扰和有限速度方面变得越来越重要。光学调制器和集成芯片需要高速、较大的光学带宽和小脚位。硅基光学调制器的场效应很弱，产生毫米大小的脚位。这增加了插入损耗和妨碍了高速性能。

石墨烯以其独特的结构、性质以及潜在的应用，自发现以来已成为化学、材料、物理等众多领域的研究热点。综上所述，目前制备技术存在石墨烯尺寸分布不均、难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈问题。由于石墨烯是单原子层厚度，所以石墨烯的本质物理属性在物质结合、设备制造和加工过程中很容易受到影响。因此，石墨烯在光电领域的应用存在最大的挑战就是如何改善石墨烯的可控性、可伸缩性、质地以及持久性。这些研究可以使我们更加深入地了解石墨烯及其复合材料的光电性质，促进石墨烯的大规模生产和广泛的应用。

第3章化学气相沉积法生长高质量石墨烯

及其光电性质研究

3.1石墨烯简介

3.1.1石墨烯的发现

在石墨烯制备出来前，绝大多数物理学家都认为热力学涨落导致任何二维晶体均不能在非绝对零度条件下存在。虽然之前利用碳的蜂窝状结构来描述各种碳结构物理化学性质的理论研究持续了几十年，但是人们普遍认为碳的二维材料是难以稳定地单独存在的，除非依附在三维的衬底表面或者在像石墨、云母等物质内部才有可能存在。

3.1.2石墨烯的结构形态

石墨烯是继碳纳米管和富勒烯被发现后，首度被发现的一种能够在自然界中稳定存在的碳二维晶体。石墨烯是一种碳原子按照sp2 杂化排布，并相互连接形成蜂窝状的网络结构。它具有高透过率、高导电性、高机械强度和大比表面积等优异性能，使其在能源、新材料、微电子以及航空航天领域具有非常广阔的应用前景。

3.1.3超大的比表面积

石墨烯因为其独特的二维结构使其具备非常大的比表面积，单层石墨烯的厚度理论值仅为0.335 nm。一般来说比表面积较高的多孔活性碳的比表面积保持在1500-2500 m2/g 范围内，而石墨烯的比表面积能够达到更加惊人的2500-3000 m2/g。石墨烯超大的比表面积使其在光催化降解、新能源领域、和生物医药等领域中具有非常广阔的应用前景。

3.2.1主要实验设备及原材料

3.2.2固态源CVD 法生长石墨烯设备的改造

3.2.2.1固态源法生长石墨烯及其B、N 掺杂石墨烯设备改造

在深入掌握CVD 法生长的工作原理的基础上，对实验室原有的化学气相沉积设备进行了改造，使其满足固态碳源CVD 法生长大面积石墨烯的工艺需要。将固态碳源聚苯乙烯放置于管式炉的大石英管的进气端口处，将Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入Ar (300 sccm)、H2(30

石英管加热到1050oC 保持30-60 min 使Cu 箔表面Cu 晶粒长大，然后降温至1000oC，同时加热固态碳源聚苯乙烯至280oC，保持30 min，最后停止加热将石英管降至室温。

3.2.2.2气路控制与抽真空系统

作为一种CVD 法生长石墨烯设备，其气路系统、流量计以及腔室真空度对制备得到石墨烯的最终质量有显著影响。其中流量控制器采用七星华创公司的质量流量控制器，所有控制器均用Ar 进行标定，最小量程为0.1 sccm 以确保整个实验过程中各反应气体流量的稳定度和精确度。

3.2.2.3固态源加热系统

在固态碳源CVD 法制备石墨烯工艺中，碳源的加热方式和精度对石墨烯生长至关重要，加热温度的精确度和稳定性均会影响最终制备得到石墨烯的厚度和结晶质量。本论文根据实验需要，设计了卤钨灯加热的方式对固态碳源进行加热。固态源支撑架采用耐热性较好的高纯石英材料，同时选用厦门宇电AI/518P 型控温器对固态碳源的加热进行精确的温度控制(精度±0.1oC)，以方便我们很好地控制腔室中含碳基团的浓度，从而大大提高了效率。

3.2.3金属衬底表面预处理工艺

3.2.3.1电化学抛光

以85%磷酸和聚乙二醇(PEG)体积比为3:1 的溶液做抛光液，搅拌均匀。选取一大块Cu箔做阴极，需要抛光的Cu 箔作为正极，正负极距离为5-6 cm。抛光时，电化学工作站选择恒压模式，工作电压选择 1.5-1.8 V，抛光时间为1800 s。抛光结束后，取出并用大量水冲洗干净表面残余的抛光液。随后丙酮超声清洗10 min，再用酒精超声清洗10 min，用氮气吹干后放好备用。

3.2.3.2后期热退火

将抛光并清洗完毕的Cu 箔放入CVD 腔室，抽真空后通入Ar (300

箔再结晶长大，同时去除Cu 箔表面的位错、应力、杂质等缺陷。最终得到表面缺陷很少，Cu 晶粒大小为0.2-2 mm 的平整多晶Cu 表面。

3.2.4化学气相沉积法制备石墨烯的工艺

3.2.

4.1衬底清洗

金属衬底清洗工艺如下：

(1) 将金属衬底浸没于丙酮中加热至50oC 超声清洗10 min；

(2) 用酒精将衬底上残留丙酮冲洗干净，随后在酒精中加热至50oC 超声清洗两次共10 min；

(3) 取出衬底，采用去离子水将衬底冲洗干净，离子水冲洗，然后高纯氮气吹干备用。

3.2.

4.2石墨烯的制备

(1) 称取一定重量的聚苯乙烯，将聚苯乙烯放置于管式炉的石英管的进气端口处(碳源加热温区位置)。

(2) 将清洗后的Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入Ar (300 sccm)、H2(30 sccm)并升温至1050 ℃保持30-60 min 使Cu 箔表面Cu 晶粒长大。

(3) 降温至石墨烯生长所需温度，同时加热固态碳源聚苯乙烯。生长时间保持30-120 min。

(4) 生长结束后停止加热碳源，同时停止腔室加热，在还原性气氛保护将腔室温度降至室温，取出样品。在整个实验过程中，采用纯度为99%的普通N2气对尾气进行吹扫和稀释处理，以防止有毒或者易燃易爆气体泄漏到空气中对实验人员造成伤害，最后尾气流经化学处理溶液和高温分解炉后排放。

3.2.

4.3欧姆接触电极的制备

对于最终转移到目标衬底上的石墨烯，电学测试所必须的欧姆接触电极制备方法如下。首先采用Ar/O2等离子体刻蚀的方法刻蚀出石墨烯带，随后在石墨烯带上采用电子束蒸发的方法分别沉积Cr 和Au 构成Cr/Au 复合电极，最终制备得到石墨烯场效应管。随后将样品放入CVD 退火炉中，在保护性气氛下退火30-60 min。退火温度300-400oC。

3.3本章小结

探讨了不同金属衬底上CVD 法沉积石墨的不同生长机制。溶碳量高的金属在生长过程中主要遵循溶解析出机制，其制备的关键阶段在于后段的快速降温阶段引起的碳过饱和以及后期大面积石墨烯在金属衬底表面析出。而催化生长机制的代表是一些溶碳量较小的金属，碳源在高温金属衬底的催化作用下脱氢并以二维蜂窝结构在衬底表面形核长大，最终排列成大面积的二维石墨烯。

第4章石墨嫌及其复合结构的设计、制备

和性能研究

4.1金属/石墨嫌/金属复合纳米结构的设计、制备及其表面

增强拉曼光谱

4.1.1研究背景

4.1.1.1表面增强拉曼光谱简介

伴随人们生活水平的提髙和科学技术的进步，发展高灵敏度、髙可重复性以及操作简单的分析技术是人们孜孜以求的目标。近年来，基于荧光、红外吸收和拉曼散射的光谱分析技术在物质探测与成像应用中的地位显得越来越重要。但是，拉曼散射是一种非弹性散射，其散射截面比荧光的散射截面和瑞利散射的散射截面小很多，因此，通常测量中拉曼散射信号弱、灵敏度不高，从而限制了其进一步应用。

4.1.1.2石墨烯及其复合结构在表面增强拉曼光谱中的应用

石墨烯，作为碳的一种同素异形体，是一种完美的单原子层二维晶体材料。由于其独特的结构，除了在透明电极、场效应晶体管、传感器、能源存储、射频晶体管、存储器、高强度复合材料等方面的应用外，在表面增强拉曼光谱研究中也有广泛的应用。石墨烯除了用于研究表面增强拉曼光谱的化学增强机制外，基于石墨烯与金属纳米材料复合结构的表面增强拉。

4.1.1.3金属纳米颗粒形貌分析

为了得到无表面包裹剂、分布均匀的单层金属纳米颗粒，本实验釆用在衬底上热蒸发金属的方法。首先，我们用扫描电子显微镜（SEM)对金属纳米颗粒进行形貌表征。为进一步研究Ag纳米颗粒随银沉积厚度的变化，我们在多个区域对银纳米颗粒的大小进行统计分析，结果显示：在Si02上沉积4nm、8 nm和16nm银所得到银纳米颗粒平均直径分别为14.8 nm、25.7 nm 和61.2 nm;在CVD-graphene 上沉积4 nm、8 nm和16nm银所得到银纳米颗粒平均直径分别为17.1 nm, 30.0nm和69.3 nm。从统计结果可知，随着银沉积厚度的增加，银纳米颗粒的大小逐渐增加。

4.2多孔石墨烯纳米结构的制备及表面增强拉曼研究

4.2.1多孔石墨烯的研究现状

作为新型二维材料，石墨烯具有许多独特的性质，特别是优异的电学性能，有望在新一代电子器件中得到广泛应用。然而，常温下石墨烯是零

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

石墨烯介绍

1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

氧化石墨烯薄膜的光电化学性质

2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.wendangku.net/doc/6717132931.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试

2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏

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(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

石墨烯性能简介

第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图

2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

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

石墨烯的表面性质及其分析测试技术

Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57 Published Online May 2016 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/6717132931.html,/journal/japc https://www.wendangku.net/doc/6717132931.html,/10.12677/japc.2016.52006 Progress in Surface Properties and the Surface Testing of Graphene Jinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu1 1School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, Shanghai Received: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/6717132931.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Graphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion. Keywords Surface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene 石墨烯的表面性质及其分析测试技术 戴进峰1*，王国建1,2，吴承恳1 1同济大学材料科学与工程学院，上海 *通讯作者。

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)

石墨烯以及导热性质的介绍

石墨烯以及导热性质的有关介绍 石墨烯( Graphene)又叫单层石墨，是构造其他石墨材料的最基本的材料单元。石墨稀是由sp2碳原子以蜂窝状晶格构成的二维单原子层结构。每个碳原子周围有３个碳原子成键，键角120°；每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键。在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 根据有关资料的显示，对石墨烯晶格振动的研究可利用价力场方法。在价力场方法中，石墨烯内所有原子间的相互作用力可以分为键的伸缩力和键的弯曲力。从经典的热学理论出发，对石墨烯的导热系数进行研究。 一、以下是石墨烯薄片的热通量有关的表达式:

上面理论计算的导热系数主要由石墨烯的声子频率、声子的支数和声子的作用过程等决定。从得出的结果出可以得出以下的图表： 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。 二、石墨烯的导热系数经验公式 式中 Xg 是温度系数，L 是单层石墨烯的中间部分与散热片之间的距离，h 是单层石墨烯厚度，d 为单层石墨烯的宽度，δf 是G 峰位移，δP 是样品的热功率的变化。从经验公式可以看出，石墨烯的导热系不同宽度的石墨烯薄 片的导热系数与温度 的关系

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。

浅谈石墨烯的发展与应用

浅谈石墨烯的发展与应用 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。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。 一、Graphene的结构 Graphene是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接，由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。 在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子光谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。对于三及三以上数目的薄层，光谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 二、Graphene的性质 虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公

石墨烯在光电子器件中的应用

石墨烯在光电子器件中的应用 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，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在