石墨烯納米材料

1、 石墨烯的簡介與性質(zhì)LOGO碳的同素異形體： 零維（石墨稀量子點（GQDs），富勒烯） 一維（碳納米管，石墨稀納米帶） 二維（石墨?。?三維（石墨，金剛石）懸掛鍵 ：一般晶體因晶格在表面處突然終止，在表面的最外層的每個原子將有一個未配對的電子，即有一個未飽和的鍵，這個鍵稱為懸掛鍵。 當(dāng)石墨烯片具有有限的面積時,便形成了零維的石墨烯量子點,這種量子點可以具有不同的幾何形狀，如矩形，三角形和六邊形等形狀的量子點,這幾種量子點的邊界可以完全是鋸齒型或扶手椅型。LOGO富勒烯：任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一類物質(zhì)。富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但

2、石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán) LOGO石墨稀的結(jié)構(gòu)石墨稀的結(jié)構(gòu)石墨稀又稱單層石墨（目前世界上最薄的材料，僅有一個原子厚）（目前世界上最薄的材料，僅有一個原子厚）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角形蜂窩狀的二維晶體，它可以包裹起來形成富勒烯，納米管或堆疊成三維石墨。LOGO熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。雖然理論和實驗界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。LOGO1.光學(xué)特性光學(xué)特性石墨烯的特性 2008年，Nair發(fā)現(xiàn)石墨烯在近紅外和可見波段具有極佳的光透射。他們將懸浮的石墨烯薄膜覆蓋在十幾個m量級的孔洞上，發(fā)

3、現(xiàn)單層石墨烯的透光率可達(dá)97.7%，高度透明，而且透光率隨層數(shù)的增加呈線性減少的趨勢。LOGO2.力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì) 石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，強(qiáng)度卻是鋼材的100倍。 如果用一平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只貓的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。 石墨烯強(qiáng)度高，可與金剛石媲美。實測抗拉強(qiáng)度和彈性模量分布為125GPa和1.1GPa。同時具有良好的柔韌性，可彎曲。LOGO3.熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì) 1.石墨烯的導(dǎo)熱率高達(dá)5300W/mK，是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多，比金剛石的熱導(dǎo)率要高，和碳納米管的熱導(dǎo)率相當(dāng)； 2.石墨烯片層沿平面方向?qū)峋哂懈飨虍愋裕?3.導(dǎo)熱率隨溫度

4、的增加而逐漸減少； 4.隨著石墨烯層數(shù)的增加，熱導(dǎo)率逐漸降低，當(dāng)層數(shù)達(dá)到5-8層以上，減少到石墨的熱導(dǎo)率值。4.電學(xué)性質(zhì) 其電導(dǎo)率可達(dá)106S/m，是室溫下導(dǎo)電率最佳的材料。二、石墨烯的合成與制備制備方法制備方法物理法：微機(jī)械剝離法、取向附生法 、液相和氣相直接剝離法、碳納米管剪切法?；瘜W(xué)法：化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)溶液直接剝離法、SiC高溫分解法、PMMA碳化法、有機(jī)合成法。1 1、機(jī)械剝離法：、機(jī)械剝離法： 機(jī)械剝離法是最早用于制備石墨烯的方法機(jī)械剝離法是最早用于制備石墨烯的方法, ,主要通過機(jī)械力從主要通過機(jī)械力從新鮮石墨晶體的表面剝離出石墨烯片層。早期的機(jī)械剝離法所制新鮮石

5、墨晶體的表面剝離出石墨烯片層。早期的機(jī)械剝離法所制得的石墨薄片通常含有幾十至上百個片層得的石墨薄片通常含有幾十至上百個片層, ,隨著技術(shù)方法的改進(jìn)隨著技術(shù)方法的改進(jìn), ,逐漸可以制備出層數(shù)為幾個片層的石墨薄片。逐漸可以制備出層數(shù)為幾個片層的石墨薄片。 機(jī)械剝離法被廣泛用于石墨烯片層的制備機(jī)械剝離法被廣泛用于石墨烯片層的制備, ,特別在石墨烯的一特別在石墨烯的一些光學(xué)、電學(xué)性能研究中些光學(xué)、電學(xué)性能研究中, ,一般均以機(jī)械剝離法作為主要的一般均以機(jī)械剝離法作為主要的制備方法。與其他方法相比較，機(jī)械剝離法是最簡單的方制備方法。與其他方法相比較，機(jī)械剝離法是最簡單的方法，對實驗室條件的要求非常簡單，

6、并且容易獲得高質(zhì)量法，對實驗室條件的要求非常簡單，并且容易獲得高質(zhì)量的石墨烯。的石墨烯。 但制備的石墨烯薄片尺寸不易控制、重復(fù)性差，產(chǎn)率較低但制備的石墨烯薄片尺寸不易控制、重復(fù)性差，產(chǎn)率較低, ,而而且難以規(guī)?；苽鋯螌邮?。且難以規(guī)模化制備單層石墨烯。2 2、外延生長法、外延生長法 外延生長方法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。外延生長方法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是指在高溫下加熱碳化硅外延生長法是指在高溫下加熱SiCSiC單晶體，使得單晶體，使得SiCSiC表表面的面的SiSi原子被蒸發(fā)而脫離表面，剩下的原子被蒸發(fā)而脫離表面，剩下的C C原子通過自

7、組形式重原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于構(gòu)，從而得到基于SiCSiC襯底的石墨烯。襯底的石墨烯。 金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ń饘俅呋庋由L法是在超高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底如入到具有催化活性的過渡金屬基底如PtPt、IrIr、RuRu、CuCu等表面，等表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。氣體在吸附通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。氣體在吸附過程中可以長滿整個金屬基底，并且其生長過程為一個自限過程中可以長滿整個金屬基底，并且其生長過程為一個自限過程，即基底吸附氣體后不會重復(fù)吸收，因此，所制備出的過程，即基底吸附氣體后

8、不會重復(fù)吸收，因此，所制備出的石墨烯多為單層，且可以大面積地制備出均勻的石墨烯石墨烯多為單層，且可以大面積地制備出均勻的石墨烯。三、三、石墨烯的表征石墨烯的表征拉曼光譜（拉曼光譜（Raman）石墨烯的拉曼光譜由若干峰組成，主要為石墨烯的拉曼光譜由若干峰組成，主要為G峰，峰，D峰以及峰以及G峰。峰。514nm激光激發(fā)下單層石墨烯的典型拉曼光譜由圖，由圖，G峰是石墨烯的主要特征峰，峰是石墨烯的主要特征峰，由由sp2碳原子的面內(nèi)振動引起的，出碳原子的面內(nèi)振動引起的，出現(xiàn)在現(xiàn)在1580cm-1附近，該峰能有效反附近，該峰能有效反映石墨烯的層數(shù)；映石墨烯的層數(shù)；D峰被認(rèn)為是石峰被認(rèn)為是石墨烯的無序振動峰

9、，它是由于晶格墨烯的無序振動峰，它是由于晶格振動離開布里淵區(qū)中心引起的，用振動離開布里淵區(qū)中心引起的，用于表征石墨烯樣品中的結(jié)構(gòu)缺陷或于表征石墨烯樣品中的結(jié)構(gòu)缺陷或邊緣；邊緣；G峰是雙聲子共振二階拉曼峰是雙聲子共振二階拉曼峰，用于表征石墨烯樣品中碳原子峰，用于表征石墨烯樣品中碳原子的層間堆垛方式。的層間堆垛方式。 通過測量石墨烯的拉曼光譜我們可以判斷石墨烯的層數(shù)、堆垛方式、缺陷多通過測量石墨烯的拉曼光譜我們可以判斷石墨烯的層數(shù)、堆垛方式、缺陷多少、邊緣結(jié)構(gòu)、張力和摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。少、邊緣結(jié)構(gòu)、張力和摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。 就判斷石墨烯的層數(shù)而言，因為多層和單層石墨烯的電子色散不同

10、，導(dǎo)致了就判斷石墨烯的層數(shù)而言，因為多層和單層石墨烯的電子色散不同，導(dǎo)致了拉曼光譜的差異。拉曼光譜的差異。14層石墨烯的層石墨烯的G峰強(qiáng)度有所不同，且峰強(qiáng)度有所不同，且G峰也有其各自的特征峰峰也有其各自的特征峰型以及不同的分峰方法，因此，型以及不同的分峰方法，因此，G峰強(qiáng)度和峰強(qiáng)度和G峰的峰型常被用來作為石墨烯層數(shù)峰的峰型常被用來作為石墨烯層數(shù)的判斷依據(jù)。的判斷依據(jù)。 就判斷石墨烯的缺陷而言，帶有缺陷的石墨烯在就判斷石墨烯的缺陷而言，帶有缺陷的石墨烯在1350cm-1附近會有拉曼附近會有拉曼D峰，峰，一般用一般用D峰與峰與G峰的強(qiáng)度比（峰的強(qiáng)度比（ID/IG）以及）以及G峰的半峰寬（峰的半峰寬

11、（FWHM）來表征石墨烯中）來表征石墨烯中的缺陷密度的缺陷密度 。 除拉曼光譜以外，石墨烯的表征還有很多方法除拉曼光譜以外，石墨烯的表征還有很多方法:X射線衍射（射線衍射（XRD）,原子力原子力顯微鏡（顯微鏡（AFM）,掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）等。）等。四，石墨烯的應(yīng)用 因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上， 石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好 的材料，電子在其中的運動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽 車、飛機(jī)和衛(wèi)星。 石墨烯五大應(yīng)用領(lǐng)域 1.光電產(chǎn)品領(lǐng)域，以其非常好的透光性、導(dǎo)電性和可彎曲性，在觸摸屏、可穿戴設(shè)備、OLED（有機(jī)電激光顯示）、太陽能等領(lǐng)域中發(fā)揮作用。這也是目前公認(rèn)最可能首先實現(xiàn)商品化的領(lǐng)域。 2.能源技術(shù)領(lǐng)域，主要依賴于石墨烯超高的比表面積、超輕的重量和非常好的導(dǎo)電性。采用石墨烯的超級電容器，其極限儲能密度是現(xiàn)有材料的2-5倍左右，被稱作最理想的電極材