浅谈石墨烯ppt.ppt.ppt

比钻石还硬的材料 石墨烯 动力学院 申潇 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 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 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2 化学气相沉积法3 氧化 还原法4 溶剂剥离法5 溶剂热法6 其它方法 1 机械剥离法 2004年 geim等首次用微机械剥离法 成功地从高定向热裂解石墨 highlyorientedpyrolyticgraphite 上剥离并观测到单层石墨烯 geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌 揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因 微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯 但存在产率低和成本高的不足 不满足工业化和规模化生产要求 目前只能作为实验室小规模制备 2 化学气相沉积法 化学气相沉积法 chemicalvapordeposition cvd 首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破 cvd法是指反应物质在气态条件下发生化学反应 生成固态物质沉积在加热的固态基体表面 进而制得固体材料的工艺技术 麻省理工学院的kong等 韩国成均馆大学的hong等和普渡大学的chen等在利用cvd法制备石墨烯 他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉 通入含碳气体 如 碳氢化合物 它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面 形成石墨烯 通过轻微的化学刻蚀 使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜 这种薄膜在透光率为80 时电导率即可达到1 1 106s m 成为目前透明导电薄膜的潜在替代品 用cvd法可以制备出高质量大面积的石墨烯 但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵 这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素 cvd法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求 但成本较高 工艺复杂 3 氧化 还原法 氧化 还原法制备成本低廉且容易实现 成为制备石墨烯的最佳方法 而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液 解决了石墨烯不易分散的问题 氧化 还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨 go 经过超声分散制备成氧化石墨烯 单层氧化石墨 加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团 如羧基 环氧基和羟基 得到石墨烯 氧化 还原法被提出后 以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法 得到广大石墨烯研究者的青睐 ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼 对苯二酚 硼氢化钠 nabh4 和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团 就能得到石墨烯 氧化 还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液 解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题 氧化 还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷 例如 五元环 七元环等拓扑缺陷或存在 oh基团的结构缺陷 这些将导致石墨烯部分电学性能的损失 使石墨烯的应用受到限制 4 溶剂剥离法 溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中 形成低浓度的分散液 利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力 此时溶剂可以插入石墨层间 进行层层剥离 制备出石墨烯 此方法不会像氧化 还原法那样破坏石墨烯的结构 可以制备高质量的石墨烯 在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高 大约为8 电导率为6500s m 研究发现高定向热裂解石墨 热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯 溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯 整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷 为其在微电子学 多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景 缺点是产率很低 5 溶剂热法 溶剂热法是指在特制的密闭反应器 高压釜 中 采用有机溶剂作为反应介质 通过将反应体系加热至临界温度 或接近临界温度 在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法 溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题 同时也带来了电导率很低的负面影响 为解决由此带来的不足 研究者将溶剂热法和氧化还原法相结合制备出了高质量的石墨烯 dai等发现溶剂热条件下还原氧化石墨烯制备的石墨烯薄膜电阻小于传统条件下制备石墨烯 溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受科学家的关注 溶剂热法和其他制备方法的结合将成为石墨烯制备的又一亮点 6 其它方法 石墨烯的制备方法还有高温还原 光照还原 外延晶体生长法 微波法 电弧法 电化学法等 如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势 取长补短 解决石墨烯的难溶解性和不稳定性的问题 完善结构和电性能等是今后研究的热点和难点 也为今后石墨烯的制备与合成开辟新的道路 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 changgulee etal graphenemeasurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayerscience321 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 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 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32gpa 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领域 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 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 e 2 2 0 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 电子工程领