比钻石还硬的材料 石墨烯 教学课件

通向 的电梯 比钻石还硬的材料 石墨烯 计算机学院六队：刘飞 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 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2 600m2Pg ,具有突出的导热性能( 3 000Wm- 1K- 1 ) 和力学性能(1 060GPa) , 以及室温下较高 的电子迁移率(15 000cm2V- 1s - 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。 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（Kostya Novoselov）和安德 烈盖姆（Andre Geim）发现的，他们使用的是一 种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）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。 康斯坦丁诺沃肖洛夫 安德烈海姆 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 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、模板法 1988年京谷隆等利用模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层，一旦脱除 模板，这些片层就会白组装形成体相石墨 。一些研究小组正在探索如何利用 二维模板的孔隙制备可自由存在的单层石墨烯片层，但至今尚无令人满意的 结果报道。 4、晶膜生长 利用生长基质原子结构“种”出石墨烯 . 5、化学法 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5m 深的平台(尺 寸为20m 2mm ,大小不等) ,在平台的表面涂上一 层2m 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) 。 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 - 10 Torr) 经电子轰 击加热到1 000 ,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 ,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。 5、化学法 通过Diels2Alder反应Pd 催化的 Hagihara2Sonogashira,Buchwal d2Hartwig 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。 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。 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。 Changgu Lee, et al. Graphene Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008); 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 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 未成键的电子，这些电子与平面成垂直的方向可形 成轨道，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。 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”(electric charge carrier)，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。 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。 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 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32 GPa，性能与用类似方法制备的 碳纳米管布基纸相当。 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。 双层石墨烯可降低元器件电噪声 美国IBM公司TJ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。 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 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=(e2)/(20*h*c)(其中 e 是电子的电荷， 0 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。 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 五、石墨烯的展望 1.电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管 2.进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性 3.探索单电子器件