石墨烯-教学讲解课件

通向的电梯宇宙通向的电梯宇宙比钻石还硬的材料

——石墨烯比钻石还硬的材料

主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨烯材料的简介石墨烯材料的应用主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨一、石墨烯材料的简介1、定义

石墨烯（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2600m2Pg,具有突出的导热性能(3000W·m-1·K-1)和力学性能(1060GPa),以及室温下较高的电子迁移率(15000cm2·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。一、石墨烯材料的简介1、定义2、发现

Graphene(石墨烯)是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫（KostyaNovoselov）和安德烈•盖姆（AndreGeim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanicalcleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。2、发现一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变。他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜,这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定康斯坦丁·诺沃肖洛夫安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫3、结构

完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形)

如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲;12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;

可见，石墨烯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3、结构石墨烯---教学讲解课件二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。2、加热SiC法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger等人已经能可控地制备出单层.或是多层石墨烯。据预测这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。3、热膨胀法4、化学法二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法1、机械剥离法

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5μm深的平台(尺寸为20μm—2mm,大小不等),在平台的表面涂上一层2μm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。将硅片置于丙酮中,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)。1、机械剥离法以1mm厚的高取向高温热2、加热SiC法

首先,样品经过氧化或H2刻蚀表面处理,然后在超高真空下(1×10-10Torr)经电子轰击加热到1000℃,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1250—1450℃,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。2、加热SiC法首先,样品经过氧化或H2刻3、热膨胀法用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的平均厚度约为30μm，横向尺寸在400μm左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。3、热膨胀法用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的4、化学法通过Diels2Alder反应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)2-AlCl3作用下环化脱氢得到较大平面的石墨烯。4、化学法通过Diels2Alder反应Pd催化的Hagi石墨烯---教学讲解课件三、石墨烯材料的性质1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们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，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，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。打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。三、石墨烯材料的性质1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析实验证明从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。ChangguLee,etal.GrapheneMeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayer

Science321,385(2008);实验证明ChangguLee,etal.Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发实现人类梦想Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯2、出色的电学性质——电子运输

碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。2、出色的电学性质——电子运输3，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”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

3，导电性石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔4，电子的相互作用

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。石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。4，电子的相互作用石墨烯中电子间以及电子与5、其它特殊性质石墨烯具有明显的二维电子特性。在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更好可控渗透性离子导电体各向异性超电容性

………………5、其它特殊性质氧化石墨烯四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯纸状材料。氧化石墨烯片是以一种接近平行的方式相互连接或瓦片式连接在一起形成的，拉伸试验表明氧化石墨烯纸具有较高的拉伸模量和断裂强度，其平均模量为32GPa，性能与用类似方法制备的碳纳米管布基纸相当。氧化石墨烯四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯微电子领域

微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采用电子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛的中部位置保持一个带有微小圆笼的量子点。电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。可在26GHz频率下运作可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。

微电子领域微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚双层石墨烯可降低元器件电噪声

美国IBM公司T·J·沃森研究中心的科学家，最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠加，可以将元器件的电噪声降低10倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司T·J·沃森研究石墨烯可作为宇宙学研究的平台

精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲数，用希腊字母α表示，它与量子电动力学有着紧密的渊源。它将电动力学中的电荷e、量子力学中的普朗克常数h、相对论中的光速c联系起来，定义为α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中e是电子的电荷，ε0

是真空介电常数，h是普朗克常数，c是真空中的光速).而其大小为什么约等于1/137至今尚未得到令人信服的回答。

Geim与Rahul.Nair和Peter.Blake两位博士一道，首次创造出巨大的悬浮石墨烯薄膜。他们发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度，可以吸收大约2.3%的可见光。而相关的理论研究也表明，如果将这一数字除以圆周率，就会得到较为精确的精细结构常数值。石墨烯可作为宇宙学研究的平台精细结构常数是物理学中一其它应用pH传感器气体分子传感器储氧材料药物控制释放离子筛作为电极材料其它应用pH传感器

五、石墨烯的展望电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路其它潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，2025年以后可能是从“硅”时代跨越到“石墨烯”时代

五、石墨烯的展望电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管石通向的电梯宇宙通向的电梯宇宙比钻石还硬的材料

——石墨烯比钻石还硬的材料

主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨烯材料的简介石墨烯材料的应用主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨一、石墨烯材料的简介1、定义

石墨烯（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2600m2Pg,具有突出的导热性能(3000W·m-1·K-1)和力学性能(1060GPa),以及室温下较高的电子迁移率(15000cm2·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。一、石墨烯材料的简介1、定义2、发现

Graphene(石墨烯)是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫（KostyaNovoselov）和安德烈•盖姆（AndreGeim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanicalcleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。2、发现一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变。他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜,这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定康斯坦丁·诺沃肖洛夫安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫3、结构

完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形)

如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲;12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;

可见，石墨烯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3、结构石墨烯---教学讲解课件二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。2、加热SiC法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger等人已经能可控地制备出单层.或是多层石墨烯。据预测这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。3、热膨胀法4、化学法二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法1、机械剥离法

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5μm深的平台(尺寸为20μm—2mm,大小不等),在平台的表面涂上一层2μm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。将硅片置于丙酮中,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)。1、机械剥离法以1mm厚的高取向高温热2、加热SiC法

首先,样品经过氧化或H2刻蚀表面处理,然后在超高真空下(1×10-10Torr)经电子轰击加热到1000℃,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1250—1450℃,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。2、加热SiC法首先,样品经过氧化或H2刻3、热膨胀法用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的平均厚度约为30μm，横向尺寸在400μm左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。3、热膨胀法用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的4、化学法通过Diels2Alder反应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)2-AlCl3作用下环化脱氢得到较大平面的石墨烯。4、化学法通过Diels2Alder反应Pd催化的Hagi石墨烯---教学讲解课件三、石墨烯材料的性质1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们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，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，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。打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。三、石墨烯材料的性质1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析实验证明从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。ChangguLee,etal.GrapheneMeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayer

Science321,385(2008);实验证明ChangguLee,etal.Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发实现人类梦想Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯2、出色的电学性质——电子运输

碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。2、出色的电学性质——电子运输3，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”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

3，导电性石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔4，电子的相互作用

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。石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。4，电子的相互作用石墨烯中电子间以及电子与5、其它特殊性质石墨烯具有明显的二维电子特性。在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更好可控渗透性离子导电体各向异性超电容性

………………5、其它特殊性质氧化石墨烯四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯纸状材料。氧化石墨烯片是以一种接近平行的方式相互连接或瓦片式连接在一起形成的，拉伸试验表明氧化石墨烯纸具有较高的拉伸模量和断裂强度，其平均模量为32GPa，性能与用类似方法制备的碳纳米管布基纸相当。氧化石墨烯四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯微电子领域

微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采用电子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛的中部位置保持一个带有微