纳米材料应用课件

石墨烯Graphene,类石墨烯半导体材料-过渡金属硫化物二硫化钼MoS2二硫化铼ReS2,二维纳米材料及应用,碳元素材料结构完整体系,零维:C60富勒烯,一维:碳纳米管,二维:石墨烯,三维:石墨金刚石,石墨烯结构Graphenestructure,石墨烯是由单层sp2杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，石墨烯虽呈二维结构，但它能稳定存在并且是不平的，而是波状的。在一个两层体系中，这种起伏不是很明显，在多层体系中会完全消失。,石墨烯结构,石墨稀是构成其他石墨材料的基元,它可以翘曲(wrapup)成零维的富勒稀，卷成(rollinto)一维的碳纳米管或者堆垛(stackinto)成三维的石墨,石墨烯还是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料近来，有实验示范:在室温，通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0eV调整至0.25eV（大约5微米波长）。通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域,石墨烯具有异常的半整数量子霍尔行为。其霍尔电导为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。,只有具有禁带宽度才能成为合适的晶体管材料,英国曼彻斯特大学研究,通过CVD,将两层石墨烯用一层钨硫化物(WS2)隔开,产生2.1eV禁带宽度,石墨烯基本性质,密度：石墨烯中一个碳原子被个正六边形碳环所共用，一个结构单元中实际包含个碳原子。六边形的链长为0.142nm，由此可算出其石墨烯的面密度为-质轻,光学性能:单层石墨烯在整个可见光直到红外的波长范围内吸收2.3%的可见光，反射0.1%的可见光（可以忽略）,与光波波长无关，即透过率为97.7%.石墨烯高度透明,热学性质:石墨烯在室温下热传导率为4.84*103至5.3*103W/mK。室温下铜的热导率的倍多,比金刚石的热传导率（10002200W/mK）要高，和碳纳米管的热传导率上限5800W/mK相当。石墨烯优异的热学性能有利于其在电子方面的应用，成为热量控制的最佳材料-散热材料,超大比表面积2630m2/g活性炭1500,石墨烯基本性质,力学性能:强度与金刚石相当，,其断裂强度（强度极限）为42N/m2抗拉强度和弹性模量分别为130Gpa和1.0TPa.比同样厚度（）的钢的强度高倍。同时具有良好的柔韧性,可弯曲,形象陈述:“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车,石墨烯基本性质,利用石墨烯的高载流子迁移率,低噪声制作的THz频率的晶体管。理论上估计其工作频率可达到10THz,电学性能：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”的性质和相对论性的中微子非常相似-超强的导电性石墨烯的载流子迁移率高达，其电子迁移率约为硅中电子迁移率的140倍。石墨烯是纳米电路的理想材料，电阻率为10-6m，比铜或银更低，是室温下导电性能最佳的材料,石墨烯可耐受12亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。,石墨烯-2010诺贝尔奖:透明胶带成就诺贝尔奖,强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成,英国曼彻斯特大学教授安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫于2004年最早制作出石墨烯，并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖,石墨烯基本特性图示,结构稳定,电子传导速率最快,质轻高机械强度和弹性,导热性好,透明度高,电阻率小,初步联想:性质-用途,石墨烯性质总结,这种奇葩材料性质太多,尤其在涉及高等量子力学及非线性光学,时间有限不能一一列举啦!,新材料发展三要素,现代分析测试技术原理,忽视现代微观分析技术的作用的后果对材料的介观特性和微观机理认识不深，致使我国信息功能材料研究长期以来处于落后状态,发达国家对于材料/元器件研究无论是广度或深度都很大，从基础材料研究到装备应用都集成了多学科、多门类材料技术的成果，并得到了“技术群”的支持。现代分析方法是其中重要技术之一。我国电子材料/元器件“基础薄弱，创新不足”，已经成为制约民族信息产业发展的“瓶颈”环节。“机理不清，瞎子摸象”，忽视分析技术的作用是造成我国与先进国家存在较大差距的主要原因之一。,材料微观分析技术的作用避免瞎子摸象,现代分析测试技术的学术地位,化学成分分析领域12名电子显微和晶体结构研究领域17名其他分析测试领域5名,19012009年颁发的诺贝尔奖中，有57人因为在分析科学领域的突出贡献而获此殊荣。其中化学奖26人，物理奖31人。,分析测试领域-中国两院院士(34名不全),与分析测试领域相关的诺贝尔奖,石墨烯的制备：,微机械剥离法,碳纳米管横向切割法,微波法,电弧放电法,光照还原法,石墨氧化还原法,电化学还原法,溶剂热法,液相剥离石墨法,碳化硅热分解法,外延生长法,化学气相沉积法,石墨烯的制备方法,外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的,与衬底晶向相匹配的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长,方法改进,石墨烯的制备外延生长法,1、清洗2、浸泡3、蚀刻4、吹干,衬底处理,1.衬底升温除水蒸气2.750蒸Si3.1300退火重构得石墨烯,制备步骤,原理,准备工作,金属放入UHV生长室，在金属衬底上热分解乙烯,并高温退火,制备步骤,外延法,碳化硅外延法,金属外延法,在晶格匹配的金属上高真空热解含碳化合物,UHV生长室衬底粗糙度0.03um，丙酮、乙醇超声波洗涤,原理,SiC加热蒸掉Si,C重构生成石墨烯,石墨烯的表征：,1、拉曼光谱（Raman）2、扫描电子显微镜（SEM）3、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）4、X射线衍射（XRD）5、原子力显微镜（AFM）6、其它方法,对于有序的石墨，在Raman光谱上一般表现为2个峰，ID/IG强度比是衡量物质不规则度，判断物质有序性的重要指标。,石墨烯的表征拉曼光谱（Raman）,石墨烯的表征扫描电子显微镜（SEM）,左图为铜箔在800（b）和1000（c）摄氏度下的SEM图，扫描电子显微镜可以用来观察样品的整体形貌和表面结构。,石墨烯的表征高分辨透射电子显微镜（HRTEM）,在HRTEM下，可清晰看到石墨烯呈轻纱状半透明片状结构分布，从图中可大致估计石墨烯的层数和大小。HRTEM为石墨烯的一个简单快速的表征。,石墨烯的表征原子力显微镜（AFM）,原子力显微镜是石墨烯片层结构最有力、最直接有效的工具。它可以清晰地反应出石墨烯的大小、厚度等信息。,石墨烯的表征X射线衍射（XRD）,XRD可用来表征石墨烯的合成过程，对每一步反应进行监控。,石墨烯的表征其它方法,热重示差扫描用于分析温度变化过程中的物理化学变化，如晶型转变、物质含量、相态变化、分解和氧化还原等，研究样品的热失重行为和热量变化。低温氮吸附测试测定石墨烯的孔结构和比表面积，计算比表面积、孔径大小、孔分布、孔体积等物理参数。傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）用来识别化合物和结构的官能团，在石墨烯制备中主要用于氧化石墨烯的基面和边缘位的官能团的识别。,石墨烯应用举例,代替硅生产下一代超级计算机,半导体业著名的摩尔定律（由英特尔创始人之一戈登摩尔提出），集成度（集成电路上可容纳的晶体管数目）每18个月提高一倍，即加工线宽缩小一半。但是硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律寿命的发展道路已逐渐接近终点。石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续，电子能在石墨烯平面上的迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料制造新型超高速计算机芯片，广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中,制造晶体管集成电路。石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。,电子信息领域,在室温下硅基处理器的运行速度达到4-5GHz后就很难在继续提高。,使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到1THz（即1000GHz）,超级计算机芯片-目前世上电阻率最小的材料，电阻率仅为10-6cm,电子科学,太赫兹(THz)电子学,光电子,纳米电子学,微电子,若实现大规模,硅时代,碳时代,电子元器件发展趋势:,高频化集成化高可靠性微型化低功耗,信息领域载体:电子和光子,液晶显示材料/透明触摸屏/透明电极,柔性-可折叠的显示器,薄得像纸一样的iPhone概念手机,石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏,透明电极:石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料.,触摸屏,在电容式触摸屏中替代ITO(掺锡氧化铟)材料，或者在电阻式触摸屏中涂在金属表面。,石墨烯与现有手机触摸屏材料氧化铟锡相比，具有低成本、高性能、更柔韧、更环保的特色。以当前价格相比，预计要比现有触摸屏手机成本降低30%左右。,具有优异的柔韧,使其成为柔性显示屏、柔性触摸屏的不二之选。,具有优异的强度和柔韧性，比普通触摸屏更耐摔,工程人员正在演示利用石墨烯制作的手机触摸屏的性能：速度更快，更流畅。,光子传感器,诺基亚研发石墨烯传感器:关于采用石墨烯层打造摄像头传感器作用于照片传感，专利已经于2013年6月11日获得了授权。目前，不少科技研发人员也正在研发石墨烯对于摄像领域的应用，相关人士曾表示，这一材质对光线的敏感度是普通摄像头高1000倍。石墨烯有利于诺基亚研发规格更小的4100万的传感器，而低光方面的成像效果也将更理想。,新加坡南洋理工大学:研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过其特殊结构，让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1,000倍，而且损耗的能源也仅需原本的1/10,单分子气体侦测传感器,石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。当然，这种效应也会发生于别种物质，但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这微小的电阻变化。,太阳能电池,锂离子电池,催化,超级电容,Applicationsinenergy-relatedareas-能源领域,储氢材料,材料吸附氢气量和其比表面积成正比,石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点,使其成为储氢材料的最佳候选者,锂离子电池-电极材料,石墨烯在锂离子负极中的应用石墨烯直接作为锂离子电池负极石墨烯/SnO2复合材料石墨烯/Si复合材料石墨烯与Fe2O3、TiO2、Co3O4等复合作为锂离子电池负极,石墨烯在锂离子正极中的应用石墨烯与磷酸铁锂,磷酸钒锂复合,石墨烯在其他方面的应用作为动力锂电池的导电添加剂,此外，石墨烯“柔韧”的二维层状结构又可有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化，并增强与集流体间的导电接触。初步研究结果表明，加入石墨烯导电添加剂后，锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性都因此得到了极大改善，其效果甚至超出了目前高性能动力锂电池用的碳纳米管导电添加剂。,超级电容,石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大比表面积.石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极,石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。,石墨烯超级电容器可以储存更多能量且比普通电池更高效。寿命更长、更轻、更灵活、更易维护，设想一下你的电脑或者手机几个星期不充电，而且不发热,并且充电时间进入微妙时代,是什么滋味?-新型超级电容充电仅需200微妙(人眨一次眼0.2-0.4s),（a）石墨烯超级电容器装置原理图,b）产业级硬币状的超级电容器,生物医学领域,制造医用消毒品和食品包装-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。利用石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗菌服装、床上用品等。,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,石墨烯生物器件:由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件。,工业生产-海水淡化,2014-03-13:中国科学技术大学教授吴恒安、博士王奉超与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈海姆教授课题组合作，近期在石墨烯材料研究方面取得突破，有望实现海水的迅速淡化与净化。,与水的相互作用却让人困惑：石墨烯表面排斥水，但浸入到水中的石墨烯薄膜毛细通道却允许水快速渗透。,最新发现表明:水环境中的氧化石墨烯薄膜与水相互作用后，会形成约纳米宽的毛细通道，允许直径更小的离子或分子快速通过，而直径大于纳米的离子被完全阻隔。也就是说，氧化石墨烯薄膜具有“快速精密筛选离子”的性能。,如果能够与水分子分解发电技术结合，水、电就会成为非常廉价的产品，人类就不会为缺水、停电烦恼。,复合材料领域应用,创制“新型超强材料”。石墨烯与塑料复合，可以凭借韧性，兼具超薄、超柔和超轻特性，是下一代新型塑料。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，具有军事用途。,F-35战机机身碳复合材料超过35%,应用领域-圆形图,石墨烯研究与应用存在的问题:,如何大规模,低成本制备高质量石墨烯；(据相关资料显示，目前石墨烯价格在2000元/克以上，初步估计1.5吨规模产量价值30亿元以上)石墨烯的很多性质尚不清楚，如磁性,毒性等；探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同；开拓石墨烯和其他学科的交叉领域，探索石墨烯功能化的新性能.,工信部发布的新材料产业“十二五”发展规划就将石墨烯作为前沿新材料之一。不仅如此，国家科技重大专项、国家973计划也持续围绕石墨烯部署了一批重大项目。业内人士估计，石墨烯未来的市场规模或可达到万亿元以上.,类石墨烯材料二硫化钼,类石墨烯结构二硫化钼是由六方晶系的单层或多层二硫化钼组成的具有“三明治夹心”层状结构的二维晶体材料:单层二硫化钼由三层原子层构成,中间一层为钼原子层,上下两层均为硫原子层,钼原子层被两层硫原子层所夹形成类“三明治”结构,钼原子与硫原子以共价键结合形成二维原子晶体;多层二硫化钼由若干单层二硫化钼组成,一般不超过五层,层间存在弱的范德华力,层间距约为0.65nm.1,化合物半导体-MoS2,相比于石墨烯的零能带隙,类石墨烯二硫化钼存在可调控的能带隙,在光电器件领域拥有更光明的前景;相比于硅材料的三维体相结构,类石墨烯二硫化钼具有纳米尺度的二维层状结构,可被用来制造半导体或规格更小、能效更高的电子芯片,将在下一代的纳米电子设备等领域得到广泛应用,MoS2性质-用途,在微电子学上，MoS2的重要性在于，不仅只有原子层厚的石墨烯材料随着层数的变化，具有0500meV的带隙，而且多层原子层厚的MoS2材料层也具有新颖的电学性质，即随着材料原子层数的减少，其体材料从间