石墨烯纳米材料上课讲义.ppt

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1、石墨烯纳米材料LOGO碳的同素异形体：零维（石墨稀量子点（GQDs），富勒烯）一维（碳纳米管，石墨稀纳米带）二维（石墨稀）三维（石墨，金刚石）悬挂键：一般晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键。当石墨烯片具有有限的面积时,便形成了零维的石墨烯量子点,这种量子点可以具有不同的几何形状，如矩形，三角形和六边形等形状的量子点,这几种量子点的边界可以完全是锯齿型或扶手椅型。LOGO富勒烯：任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六

2、元环，而富勒烯中可能存在五元环 LOGO石墨稀的结构石墨稀的结构石墨稀又称单层石墨（目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚）（目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形蜂窝状的二维晶体，它可以包裹起来形成富勒烯，纳米管或堆叠成三维石墨。LOGO热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。LOGO1.光学特性光学特性石墨烯的特性 2008年，Nair发现石墨烯在近红外和可见波段具有极佳的光透射。他们将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在十几个m量级的孔洞上，发现单层石墨烯的透光

3、率可达97.7%，高度透明，而且透光率随层数的增加呈线性减少的趋势。LOGO2.力学性质力学性质 石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，强度却是钢材的100倍。如果用一平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。石墨烯强度高，可与金刚石媲美。实测抗拉强度和弹性模量分布为125GPa和1.1GPa。同时具有良好的柔韧性，可弯曲。LOGO3.热学性质热学性质 1.石墨烯的导热率高达5300W/mK，是室温下铜的热导率的10倍多，比金刚石的热导率要高，和碳纳米管的热导率相当；2.石墨烯片层沿平面方向导热具有各向异性；3.导热率随温度的增加而逐渐减少；4.随着

4、石墨烯层数的增加，热导率逐渐降低，当层数达到5-8层以上，减少到石墨的热导率值。4.电学性质 其电导率可达106S/m，是室温下导电率最佳的材料。二、石墨烯的合成与制备制备方法制备方法物理法：微机械剥离法、取向附生法、液相和气相直接剥离法、碳纳米管剪切法。化学法：化学氧化还原法、化学气相沉积法、化学溶液直接剥离法、SiC高温分解法、PMMA碳化法、有机合成法。1 1、机械剥离法：、机械剥离法：机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法,主要通过机械力从主要通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层。早期的机械剥离法所制新鲜石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层。早期的

5、机械剥离法所制得的石墨薄片通常含有几十至上百个片层得的石墨薄片通常含有几十至上百个片层,随着技术方法的改进随着技术方法的改进,逐渐可以制备出层数为几个片层的石墨薄片。逐渐可以制备出层数为几个片层的石墨薄片。机械剥离法被广泛用于石墨烯片层的制备机械剥离法被广泛用于石墨烯片层的制备,特别在石墨烯的一特别在石墨烯的一些光学、电学性能研究中些光学、电学性能研究中,一般均以机械剥离法作为主要的制一般均以机械剥离法作为主要的制备方法。与其他方法相比较，机械剥离法是最简单的方法，备方法。与其他方法相比较，机械剥离法是最简单的方法，对实验室条件的要求非常简单，并且容易获得高质量的石对实验室条件的要求非常简单，

6、并且容易获得高质量的石墨烯。墨烯。但制备的石墨烯薄片尺寸不易控制、重复性差，产率较低但制备的石墨烯薄片尺寸不易控制、重复性差，产率较低,而而且难以规模化制备单层石墨烯。且难以规模化制备单层石墨烯。2 2、外延生长法、外延生长法 外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下加热碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiCSiC单晶体，使得单晶体，使得SiCSiC表表面的面的SiSi原子被蒸发而脱离表面，剩下的原子被蒸发而脱离表面，剩下的C C原子通过自组形式原子通过自组形式重构，从而得到基于重构，从而得到基于S

7、iCSiC衬底的石墨烯。衬底的石墨烯。金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如入到具有催化活性的过渡金属基底如PtPt、IrIr、RuRu、CuCu等表面，等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制

8、备出均匀的石墨烯石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。三、石墨烯的表征三、石墨烯的表征拉曼光谱（拉曼光谱（Raman）石墨烯的拉曼光谱由若干峰组成，主要为石墨烯的拉曼光谱由若干峰组成，主要为G峰，峰，D峰以及峰以及G峰。峰。514nm激光激发下单层石墨烯的典型拉曼光谱由图，由图，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碳原子的面内振动引起的，出碳原子的面内振动引起的，出现在现在1580cm-1附近，该峰能有效反附近，该峰能有效反映石墨烯的层数；映石墨烯的层数；D峰被认为是石峰被认为是石墨烯的无序振动峰，它是由于晶格墨烯的无序振动峰，它是由于晶格振动离开布里渊区中

9、心引起的，用振动离开布里渊区中心引起的，用于表征石墨烯样品中的结构缺陷或于表征石墨烯样品中的结构缺陷或边缘；边缘；G峰是双声子共振二阶拉曼峰是双声子共振二阶拉曼峰，用于表征石墨烯样品中碳原子峰，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式。的层间堆垛方式。通过测量石墨烯的拉曼光谱我们可以判断石墨烯的层数、堆垛方式、缺陷多通过测量石墨烯的拉曼光谱我们可以判断石墨烯的层数、堆垛方式、缺陷多少、边缘结构、张力和掺杂状态等结构和性质特征。少、边缘结构、张力和掺杂状态等结构和性质特征。就判断石墨烯的层数而言，因为多层和单层石墨烯的电子色散不同，导致了就判断石墨烯的层数而言，因为多层和单层石墨烯的电子色散不同

10、，导致了拉曼光谱的差异。拉曼光谱的差异。14层石墨烯的层石墨烯的G峰强度有所不同，且峰强度有所不同，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峰强度和峰强度和G峰的峰型常被用来作为石墨烯层数的峰的峰型常被用来作为石墨烯层数的判断依据。判断依据。就判断石墨烯的缺陷而言，带有缺陷的石墨烯在就判断石墨烯的缺陷而言，带有缺陷的石墨烯在1350cm-1附近会有拉曼附近会有拉曼D峰，峰，一般用一般用D峰与峰与G峰的强度比（峰的强度比（ID/IG）以及）以及G峰的半峰宽（峰的半峰宽（FWHM）来表征石墨烯中）来表征石墨烯中的缺陷密度的缺陷密度。除拉

11、曼光谱以外，石墨烯的表征还有很多方法除拉曼光谱以外，石墨烯的表征还有很多方法:X射线衍射（射线衍射（XRD）,原子力显原子力显微镜（微镜（AFM）,扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）等。）等。四，石墨烯的应用 因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好 的材料，电子在其中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。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽 车、飞机和卫

12、星。石墨烯五大应用领域 1.光电产品领域，以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性，在触摸屏、可穿戴设备、OLED（有机电激光显示）、太阳能等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商品化的领域。2.能源技术领域，主要依赖于石墨烯超高的比表面积、超轻的重量和非常好的导电性。采用石墨烯的超级电容器，其极限储能密度是现有材料的2-5倍左右，被称作最理想的电极材料。3.功能复合材料，通过将石墨烯加入各种塑形基体，能够制备出具有很好导电、导热、可加工、耐损伤的特殊材料，在集成电路、散热片、高韧性容器等方面有应用潜力。4.微电子器件。未来的石墨烯半导体、石墨烯集成电路、THz器件等领域，可能需要利用石墨烯独特的性质来发挥。5.生物医药和传感器领域，石墨烯对单分子的响应能力、承载抗体后的分子输运能力都是其他传感器不能实现的。END此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢