石墨烯材料介绍简介.ppt

石墨烯简介 材料物理10 2秦积海 石墨烯的概念 石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种 还非常牢固坚硬 作为单质 它在室温下传递电子的速度比已知导体都快 石墨烯 graphene 是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料 是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 只有一个碳原子厚度的二维材料 1 石墨烯一直被认为是假设性的结构 无法单独稳定存在 1 直至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 成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯 而证实它可以单独存在 两人也因 在二维石墨烯材料的开创性实验 为由 共同获得2010年诺贝尔物理学奖 2 具体介绍 sp2杂化碳质材料的基本组成单元 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料 3 它几乎是完全透明的 只吸收2 3 的光 4 导热系数高达5300w m k 高于碳纳米管和金刚石 常温下其电子迁移率 超过15000cm2 v s 又比纳米碳管或硅晶体 高 而电阻率只约10 6 cm 比铜或银更低 为目前世上电阻率最小的材料 1 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 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同 是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格 honeycombcrystallattice 排列构成的单层二维晶体 石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网 石墨烯的命名来自英文的graphite 石墨 ene 烯类结尾 石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体 石墨烯的结构非常稳定 碳碳键 carbon carbonbond 仅为1 42 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 另外 石墨烯中的电子在轨道中移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射 由于原子间作用力十分强 在常温下 即使周围碳原子发生挤撞 石墨烯内部电子受到的干扰也非常小 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元 石墨 木炭 碳纳米管和富勒烯 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 石墨烯是一种二维晶体 发展简史 第一 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 第二 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 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 比如超轻防弹衣 超薄超轻型飞机材料等 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 另外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 由于其高传导性 高比表面积 可适用于作为电极材料助剂石墨烯出现在实验室中是在2004年 当时 英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈 杰姆和克斯特亚 诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片 他们从石墨中剥离出石墨片 然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上 撕开胶带 就能把石墨片一分为二 不断地这样操作 于是薄片越来越薄 最后 他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片 这就是石墨烯 这以后 制备石墨烯的新方法层出不穷 经过5年的发展 人们发现 将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了 因此 两人在2010年获得诺贝尔物理学奖 石墨烯的结构 石墨烯是由碳六元环组成的两维 2d 周期蜂窝状点阵结构 它可以翘曲成零维 0d 的富勒烯 fullerene 卷成一维 1d 的碳纳米管 carbonnano tube cnt 或者堆垛成三维 3d 的石墨 graphite 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元 石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 是目前最理想的二维纳米材料 理想的石墨烯结构是平面六边形点阵 可以看作是一层被剥离的石墨分子 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 键 电子可以自由移动 赋予石墨烯良好的导电性 二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元 石墨烯图 石墨烯与其他碳元素的区别 在近20年中 碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣 自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后 三维的金刚石 二维 的石墨 一维的碳纳米管 零维的富勒球组成了完整的碳系家族 其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点 石墨本体并非是真正意义的二维材料 单层石墨碳原子层 graphene 才是准二维结构的碳材料 石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成 而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯 当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时 石墨烯片会发生翘曲 富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的 石墨烯特性 电子运输在发现石墨烯以前 大多数 如果不是所有的话 物理学家认为 热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在 所以 它的发现立即震撼了凝聚态物理界 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 这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲 导电性石墨烯结构非常稳定 迄今为止 研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况 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 石墨烯中的电子在轨道中移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射 由于原子间作用力十分强 在常温下 即使周围碳原子发生挤撞 石墨烯中电子受到的干扰也非常小 机械特性石墨烯是人类已知强度最高的物质 比钻石还坚硬 强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍 哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究 在试验过程中 他们选取了一些直径在10 20微米的石墨烯微粒作为研究对象 研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上 这些孔的直径在1 1 5微米之间 之后 他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力 以测试它们的承受能力 电子的相互作用利用世界上最强大的人造辐射源 美国加州大学 哥伦比亚大学和劳伦斯 伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密 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 化学性质我们至今关于石墨烯化学知道的是 类似石墨表面 石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子 从表面化学的角度来看 石墨烯的性质类似于石墨 可利用石墨来推测石墨烯的性质 石墨烯化学可能有许多潜在的应用 然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍 缺乏适用于传统化学方法的样品 这一点未得到解决 研究石墨烯化学将面临重重困难 制备方法 石墨烯的合成方法主要有两种 机械方法和化学方法 机械方法包括微机械分离法 取向附生法和加热sic的方法 化学方法是化学还原法与化学解理法 微机械分离法 最普通的是微机械分离法 直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来 2004年novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯 并可以在外界环境下稳定存在 典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦 体相石墨的表面会产生絮片状的晶体 在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯 但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片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薄片样本 取向附生法 晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构 种 出石墨烯 首先让碳原子在1150 下渗入钌 然后冷却 冷却到850 后 之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面 镜片形状的单层的碳原子 孤岛 布满了整个基质表面 最终它们可长成完整的一层石墨烯 第一层覆盖80 后 第二层开始生长 底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用 而第二层后就几乎与钌完全分离 只剩下弱电耦合 得到的单层石墨烯薄片表现令人满意 但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀 且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性 另外peterw sutter等使用的基质是稀有金属钌 加热sic法该法是通过加热单晶6h sic脱除si 在单晶 0001 面上分解出石墨烯片层 具体过程是 将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热 除去氧化物 用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后 将样品加热使之温度升高至1250 1450 后恒温1min 20min 从而形成极薄的石墨层 经过几年的探索 berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯 其厚度由加热温度决定 制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难 化学还原法化学还原法是将氧化石墨与水以1mg ml的比例混合 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质 加入适量肼在100 回流24h 产生黑色颗粒状沉淀 过滤 烘干即得石墨烯 sashastankovich等利用化学分散法制得厚度为1nm左右的石墨烯 3 化学解理法化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法 氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应 迅速放出气体 使得氧化石墨层被还原的同时解理开 得到石墨烯 这是一种重要的制备石墨烯的方法 天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯 应用前景 在纳电子器件方面的应用2005年 geim研究组 3j与kim研究组h发现 室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率 约10am v s 并且受温度和掺杂效应的影响很小 表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性 300k下可达0 3m 这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势 使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能 较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间 超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势 此外 石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能 使探索单电子器件成为可能 代替硅生产超级计算机科学家发现 石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料 石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路 高频电路是现代电子工业的领头羊 一些电子设备 例如手机 由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中 它们被要求使用越来越高的频率 然而手机的工作频率越高 热量也越高 于是 高频的提升便受到很大的限制 由于石墨烯的出现 高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了 这使它在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 光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上 这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的 现在 这个角色还在由硅担当 但硅的时代似乎就要结束 去年10月 ibm的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器 接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了 因为石墨烯是透明的 用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性 基因电子测序由于导电的石墨烯的厚度小于dna链中相邻碱基之间的距离以及dna四种碱基之间存在电子指纹 因此 石墨烯有望实现直接的 快速的 低成本的基因电子测序技术 减少噪音美国ibm宣布 通过重叠2层相当于石墨单原子层的 石墨烯 graphene 试制成功了新型晶体管 同时发现可大幅降低纳米元件特有的1 f 石墨烯 试制成功了相同的晶体管 不过与预计的相反 发现能够大幅控制噪音 通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合 从而控制噪音 噪声 其它应用石墨烯还可以应用于晶体管 触摸屏 基因测序等领域 同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破 中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长 而人类细胞却不会受损 利用这一点石墨烯可以用来做绷带 食品包装甚至抗菌t恤 用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管 因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极 使之更易于回收 这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料 制造出超坚韧的防弹衣 甚至能让科学家梦寐以求的2 3万英里长太空电梯成为现实 石墨烯研究成果 ibm展示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 该晶体管的截止频率为155ghz 使得其速度更快的同时 也比ibm去年2月展出的100ghz石墨烯晶体管具备了更多的能力 ibm研究人员林育名表示 石墨烯晶体管成本较低 可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能 为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向 从而用于无线通信 网络 雷达和影像等多个领域 该晶体管的研制是ibm承接美国国防部高级研究计划局的任务 研发高性能无线电频率晶体管 军方对此很感兴趣 目前它尚未可完全用于pc机 因为自然石墨烯中缺少能隙 石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比 从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器 2011年成果2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上 日本富士通研究所宣布 他们用石墨烯制作出了几千个晶体管 富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底 在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜 大面积的石墨烯制备一直是个难题 富士通用上述方法制成了高质量的7 5厘米直径的石墨烯膜 在此基础上 再配置电极和绝缘层 制成了石墨烯晶体管 由于石墨烯面积较大 富士通在上面制成了几千个晶体管 石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快 可制作出性能优良的半导体器件 如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积 这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路 为生产高档电子产品创造了条件 2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现 石墨烯可产生太赫兹光的电磁波 研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜 将红外线照射到石墨烯薄膜上 只需很短时间就能放射出太赫兹光 如果今后能够继续改进技术 使光源强度进一步增大 将开发出高性能的激光器 研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物 然后 进行热处理 使其生长出石墨烯的薄膜 该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线 就能从石墨烯上发送出太赫兹光 目前 该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部 使光源强度增加的器件 期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器 全球最小光学调制器问世可高速传输信号一秒钟内下载一部高清电影指日可待据美国媒体今晨报道 美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器 科学家表示 这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力 有望将互联网速度提高一万倍 一秒钟内下载一部高清电影指日可待 这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授 王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的 研究论文将于2011年6月2日在英国 自然 杂志上发表 这项研究的突破点就在于 用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料 做成一个高速 对热不敏感 宽带 廉价和小尺寸的调制器 从而解决了业界长期未能解决的问题 华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部 建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器 调制器是控制数据传输速度的关键 把电子信号转化成光学信号传输数字信息 铜导线长距离传输速度最高可达100兆 而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导