纳米材料-石墨烯介绍

石墨烯介绍,目录,1、发现之路2、特性简介3、制备方法4、表征方法5、应用前景,在过去的不到三十年的时间里，从零维的富勒烯，一维的碳纳米管，到二维的石墨烯不断被发现，新型碳材料不断吸引着世界的目光。,1、发现之路,富勒烯在发现之前已经有很多科学家预测到球形碳结构的存在，但是富勒烯却和很多科学家擦肩而过。直到二十世纪八十年代科学家在模拟星际尘埃的实验中意外发现了完美对称的球形分子C60。,1、发现之路,对于碳纳米管的发现者，科学界一直存在着争议，但是不可否认的是在NEC公司发明的电镜的协助之下，科学家首次观测到了一维碳纳米管的“风采”。,1、发现之路,“富勒烯和碳纳米管”的发现可以说是“意外之美”，然而“石墨烯”的发现却很曲折。科学家经过热力学计算得出二维碳晶体热力学不稳定，无法稳定存在，但是科学家却从未放弃对其探索的努力。直至2004年，Geim教授带领其课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯，推翻了“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的这一论断。,1、发现之路,“富勒烯和碳纳米管”的发现可以说是“意外之美”，然而“石墨烯”的发现却很曲折。从理论上对石墨烯的预言到实验上的成功制备，经历了近60年的时间。,1、发现之路,1947年，菲利普华莱士(PhilipWallace)就开始研究石墨烯的电子结构。1956年，麦克鲁(J.W.McClure)推导了相应的波函数方程。1960年，林纳斯鲍林(LinusPauling,诺贝尔化学奖、和平奖双料得主)曾质疑过石墨烯的导电性。1984年，谢米诺夫(G.W.Semenoff)得出与波函数方程类似的狄拉克(Dirac)方程。1987年,穆拉斯(S.Mouras)才首次使用“graphene”这个名称来指代单层石墨片(石墨烯)。,1、发现之路,在进行理论计算时,石墨烯一直是石墨以及后来出现的碳纳米管的基本结构单元。但传统理论认为,石墨烯也只能是一个理论上的结构,不会实际存在。,早在1934年,朗道(L.D.Landau)和佩尔斯(R.E.Peierls)就指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定性,在常温常压下会迅速分解。,1966年,大卫莫明(DavidMermin)和赫伯特瓦格纳(HerbertWagner)提出Mermin-Wagner理论,指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。,完美的二维晶体结构无法在非绝对零度稳定存在,美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UniversityofTexasatAustin)的罗德尼鲁夫(RodneyRouff,当时在华盛顿大学)曾尝试着将石墨在硅片上摩擦,并深信采用这个简单的方法可获得单层石墨烯,但很可惜他当时并没有对产物的厚度做进一步的测量。美国哥仑比亚大学(ColumbiaUniversity)的菲利普金(PhilipKim)也利用石墨制作了一个“纳米铅笔”,在一个表面上划写,并得到了石墨薄片,层数最低可达10层。,实验物理学家及材料学家与理论物理学家不同,他们不喜欢被理论所束缚。,可以说,他们离石墨烯的发现仅一步之遥,诺贝尔奖的史册有极大可能会因他们的进一步工作而改写。命运之神最终没有眷顾他们,而是指向了大洋彼岸的英国曼彻斯特大学的两位俄裔科学家。,1、发现之路,2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。,“胶带成就诺贝尔奖”,1、发现之路,2004年，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。,1、发现之路,诺沃肖罗夫、盖姆教授的Firstpaperaboutgraphene,1、发现之路,Graphenefilms.(A)Photographofamultilayergrapheneflakewiththickness3nmontopofanoxidizedSiwafer.(B)AFMimageof2mby2mareaofthisflakenearitsedge(C)AFMimageofsingle-layergrapheme.(D)SEMimageofoneofourexperimentaldevicespreparedfromFLG.(E)Schematicviewofthedevicein(D).,撕胶带法,1、发现之路,石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。,“二维结构”从想象到现实,1、发现之路,石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或堆叠成三维的石墨。,A.K.Geim(2)单层石墨烯的导热率与片层宽度、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；(3)石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点；(4)在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。(5)随着层数增多，热导率逐渐降低，当层数达到5-8层以上，减小到石墨的热导率值（理论2200W/mK，正常1000W/mK左右）,2、特性,2、特性,石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达2105cm2/(Vs)，约为硅中电子迁移率的140倍。其电导率可达106S/m，是室温下导电性最佳的材料。,电学特性,2、特性,电学特性,石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料。石墨烯的电子结构同三维材料截然不同，其费米面呈6个圆锥形。无外加电场时，石墨烯的导带和价带在狄拉克点(Diracpoint)，即费米能级(Fermilevel)处相遇。在负电场作用下，费米能级移到狄拉克点之下，使大量空穴进入价带；而在正电场作用下，费米能级则移到狄拉克点之上，使大量电子进入导带。,石墨烯三维能带结构图,双极性场效应,电学特性,2、特性,以单层石墨烯为例，其电子等载流子的有效质量*为零，而且可在室温下显示出量子霍尔效应*。还会发生电阻值固定不会随距离变化的“无散射传输”*现象。*有效质量：指连接运动量与能量的方程式2阶微分时的系数。有效质量为零时，载流子就会像“光”一样快速运动。同时有利于提高施加电压时的响应速度。而相对于磁场的“回旋（Cyclotron)重量”则不会为零。*量子霍尔效应：对电子二维分布的层（二维电子系统）施加强磁场时，电子轨道及能量水平所取的值不相关（量子化）的现象。一般只能在极低温度环境下观测到这种现象。常被用作半导体品质较高的证据。*无散射传输：又称弹道传输（ballistictransport）。会在材料中的载流子平均自由行程长度大于材料的尺寸，而且载流子处于相干状态时发生。会失去材料本身的电阻，只会因用来施加电压的电极能带构造而产生电阻（量子化电阻）。与超电导极为不同的是，不会发生阻断外部磁场的现象（迈斯纳效应）。,电学特性,2、特性,如果无散射传输特性能够实用化，石墨烯就有望超越可通过大电流的单纯特性而成为革命性的布线材料，包括IBM、美国英特尔及富士通在内的多家半导体厂商及研究机构目前都在推进这方面的研究。这是因为电阻值一般会随着布线长度成比例增加，而无散射传输布线则是布线越长，单位长度的电阻值越低。这有助于解决大规模集成电路总体布线中存在的一大课题传输延迟问题。另外，无散射传输特性还对杂质非常敏感，因此有助于实现能够判定有无单分子的超高灵敏度传感器。其实普通半导体等也会发生无散射传输现象。但绝大多数以数K的极低温度为必要条件，而且发生这一现象的长度非常短，仅为数nm数百nm。而石墨烯则有望在室温下实现长达数mm数cm的无散射传输。（目前已确认石墨烯可在极低温环境下实现数mm的无散射传输。室温下只能传输200nm以上。）,电学特性,2、特性,进行石墨烯理论研究的物质材料研究机构国际纳米结构研究基地的独立研究员若林克法指出，石墨烯发生的名为“克莱因穿隧（KleinTunneling）”的通道效应有望使这种材料比其他材料更易发生无散射传输现象。尽管产生克莱因穿隧效应时，因施加电压等原因材料中会存在能量上的障碍，但载流子可在全然不会反射及衰减的情况下越过能量障碍。,3、制备方法,机械剥离法,机械剥离法，是一种反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯的方法，缺点是很难控制所获得的石墨烯片的大小及层数。而且只能勉强获得数mm见方的石墨烯片。其优点是，可以获得采用其他方法时无法实现的极高品质石墨烯片。还有人指出，“正是因为机械剥离法的出现才使石墨烯的分离研究在短时间内取得了进展”。,3、制备方法,SiC外延生长法,原理：在SiC晶体结构上通过晶格匹配生长出石墨烯晶体的方法，其原理是通过超高真空、高温加热单晶SiC脱除Si，C原子重构生成石墨烯片层。SiC外延生长法能够获得大面积、高质量的石墨烯，“不会受原来SiC基板上存在的若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片”，与集成电路技术有很好的兼容性。而其存在的课题是，需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数m见方以上，而且很难转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC基板。,3、制备方法,EpitaxialGrapheneEpitaxyofgraphiteunderultra-highvacuum(10-9Torr)Samplestypicallygrownon6H-SiCat13001900C.,Review:deHeeretal.,SolidStateComm.(2007),Grapheneona6H-SiC(0001)substrate,SurfaceSiatomswerevaporizedandepitaxialgraphenelayersremained.GrowthontheSi-face(0001)isslowthinlayers.GrowthontheC-face(000-1)isfasterupto100monolayersthickness.VerydifficulttotransferfromSiCtoothersubstrates.,3、制备方法,SiC外延生长法,SiC具有250种同型异构体,每种同型异构体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。最常见的同型异构体为立方密排的3C-SiC和六方密排的4H、6H-SiC,其中数字代表堆垛周期中的双原子层数。图为这几种常见SiC同型异构体的原子堆垛示意图,3C-SiC中原子的堆垛次序为ABCABCA,4H的为ABCBA,6H的为ABCAC2BA。,3、制备方法,SiC外延生长法,AlternativewaytoextractcarbonfromSiCandconsequentlyformgraphenelayers,*Z.Y.JuangetalCarbon47,2026(2009),3、制备方法,StrongcohesivestrengthofEpitaxialgraphene/SiCinterfaceandextremechemicalstabilityofSiCmakeitdifficulttotransferEGtoanothersubstrate.,SiC外延生长法,Thequalityofgraphenecouldbecontrolledbyprocessparameters.Fastheatingrateresultinbetterqualityandlesslayersofgraphene.Heatingratecontrolismoreeffectivethanthatcontrollingthecoolingrate.,*Z.Y.JuangetalCarbon47,2026(2009),SiC外延生长法,化学气相沉积法(CVD),另外，制造大面积石墨烯膜也已成为可能。采用的方法是化学气相沉积法。这是在真空容器中将甲烷等碳源加热至1000左右使其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜的技术。2010年6月韩国成均馆大学与三星电子等宣布，开发出了可制备30英寸单层石墨烯膜的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板，这一消息让石墨烯研究人员及技术人员感到十分吃惊。不过，在1000高温下采用的工艺只能以分批处理的方式推进，这是该制造工艺的瓶颈。而且这种工艺还存在反复转印的过程中容易混入缺陷及杂质的问题。,3、制备方法,CVD法,将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.,原理,温度,3、制备方法,3、制备方法,CVD法,(1)渗碳析碳机制:对于镍等具有较高溶碳量的金属基体，碳源裂解产生的碳原子在高温时渗入金属基体内，在降温时再从其内部析出成核，进而生长成石墨烯;(2)表而生长机制:对于铜等具有较低溶碳量的金属基体，高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附于金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。,生长机理主要可以分为两种,3、制备方法,CVD法,3、制备方法,CVD法,晶粒尺寸较小,层数不均一且难以控制,晶界处存在较厚的石墨烯,Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大,因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱,结论,在Ni膜上的SEM照片,不同层数的TEM照片,转移到二氧化硅/硅上的光学照片,3、制备方法,CVD法,铜和镍的溶碳量不同,制备方法与镍膜一致,3、制备方法,CVD法,铜箔上低倍SEM照片,铜箔上高倍SEM照片,铜箔上生长的石墨烯单层石墨烯的含量达95%以上且晶粒尺寸大,实验结论,3、制备方法,CVD法,外延生长法,化学气相沉积法,3、制备方法,大面积石墨烯的制备外延生长法,原理,1、清洗2、浸泡3、蚀刻4、吹干,衬底处理,制备步骤,原理,准备工作,制备步骤,外延法,碳化硅外延法,金属外延法,SiC加热蒸掉Si,C重构生成石墨烯,1.衬底升温除水蒸气2.750蒸Si3.1300退火重构得石墨烯,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,金属放入UHV生长室，在金属衬底上热分解乙烯,并高温退火。,得到单层或少层较理想石墨烯，但难实现大面积制备、能耗高、不利转移,单层,生长连续、均匀、大面积,3、制备方法,化学气相沉积法：生长在铜箔上的石墨烯转移到PET薄膜的过程示意图,3、制备方法,石墨烯的转移,液相法,1、液相剥离法,氧化石墨为原料石墨为原料膨胀石墨为原料,2、碳纳米管纵切法,3、自下而上直接合成法,Supercriticalexfoliation,Electrochemicalexfoliation.,剥离方式,Sonication-freeliquid-phaseexfoliation,3、制备方法,Sonication,原料,J.Mater.Chem.,2010,20,2277-2289,液相剥离法,3、制备方法,VariationsoftheLerf-Klinowskimodelindicatingambiguityregardingthepresence(top)orabsence(bottom)ofcarboxylicacidsontheperipheryofthebasalplaneofthegraphiticplateletsofGO.,Chem.Soc.Rev.,2010,39,228-240,3、制备方法,氧化石墨是原料石墨被强氧化剂氧化过程中氧原子进入到石墨片层间与电子结合，并以COOH、C-OH、C-O-C等含氧官能团的方式与碳原子结合而形成的石墨层间化合物。由于氧化石墨中碳、氢和氧元素的含量与氧化程度密切相关，所以氧化石墨的组成并不单一。,Liquid-phaseexfoliationfromgraphiteoxide,氧化石墨的制备方法主要有Brodie法、Staudemaier法、Hummers法及电化学氧化法。Brodie法是以发烟HNO3为强酸处理天然鳞片石墨，以KClO4为氧化剂，反应得到的产物经过水洗、过滤、干燥之后得到氧化石墨；Staudemaier法是以浓硫酸和发烟硝酸的混合酸对原料石墨进行酸化处理，再用KClO4对其进行氧化从而制得氧化石墨；Hummers法以溶解有NaNO3的浓硫酸对原料石墨进行酸化处理，以KMnO4为氧化剂对原料石墨进行氧化，制备氧化石墨。其中Brodie法和Staudemaier法制备得到的氧化石墨的碳层中缺陷较多，使得后续氧化石墨还原制备得到石墨烯的结构缺陷也较多，严重影响石墨烯的性能。采用Hummers法制备得到的氧化石墨的氧化程度较高，纯度较好，对环境污染小，并且安全性较高，因此Hummers法是制备氧化石墨的常用方法。,氧化石墨的制备,3、制备方法,原料石墨经过强酸的预处理之后被氧化剂氧化，含氧官能团以-COOH、C-OH和C-O-C的形式插入到石墨的片层之间，石墨片层的层间距由原来的0.34nm增大至0.7nm以上，然后，把制备的氧化石墨分散到溶剂中，对溶液进行一定时间的超声处理，氧化石墨片层在超声波的作用下被打开，形成单层或数层的氧化石墨烯分散液。氧化石墨烯经过还原剂的还原之后，含氧官能团基本被去除，制备得到石墨烯溶液。,氧化石墨烯的制备,3、制备方法,Representationoftheproceduresfollowedstartingwithgraphiteflakes(GF).Under-oxidizedhydrophobiccarbonmaterialrecoveredduringthepurificationofimprovedGO(IGO),HummersGO(HGO),andHummersmodifedGO(HGO+).TheincreasedefficiencyoftheIGOmethodisindicatedbytheverysmallamountofunder-oxidizedmaterialproduced.,Hummers法的改进与发展,ACSNano2010,4,4806.,3、制备方法,还原氧化石墨制备石墨烯的方法主要有三种，包括热膨胀还原法、溶剂热还原法和化学还原法。,热膨胀还原法主要是把氧化石墨瞬间加热至高温，氧化石墨片层间的含氧功能团会分解形成CO2和H2O等小分子逸出，产生的瞬间压力使得石墨片层克服片层间的范德华力而剥离下来。,3、制备方法,氧化石墨的还原,溶剂热还原法使用水和醇类(乙醇、乙二醇和1-丁醇)为溶剂采用溶剂热还原法和水热还原法还原氧化石墨制备得到了石墨烯。溶剂热法制备得到的石墨烯的还原程度直接受到反应温度、还原剂的类型和密封反应釜的自生压的影响。,化学还原法氧化石墨的分散液经过一定时间的超声之后，可以产生大量的单层和多层氧化石墨烯，然后使用还原剂(水合肼、硼氢化钠等)还原可以制备得到石墨烯。,Illustrationofsolvothermalexfoliation:(a)pristinegraphite;(b)EG;(c)insertionofACNmoleculesintotheinterlayersofEG;(d)exfoliatedGNSdispersedinACN;(e)samplesunderdifferentconditions:solvothermalprocess(1)600rpm,90min;(2)2000rpm,90min;solvothermal-freeprocess(3)600rpm,90min;(4)2000rpm,90min;,NanoRes(2009)2:7067120,Liquid-phaseexfoliationfromexpandedgraphite,3、制备方法,(a)DispersionsofgraphiteflakesinNMP,atarangeofconcentrationsfrom6mgmL1(A)to4mgmL1(E)aftercentrifugation.(b)Ramanspectraofbulkgraphite(1),avacuumfilteredfilmwiththelaserspotfocusedonalarge(5mm)flake(2),avacuumfilteredfilmwiththelaserspotfocusedonasmall(1mm)flake(3),alarge(10mm)bilayer(4).,Liquid-phaseexfoliationfrompristinegraphite,Notethatforspectra2and4,theDlineisabsent,indicatingthatvirtuallynodefectsarepresent.Forthesmallflake(spectrum3),aweakDlineisapparent,consistentwithedgeeffects.,Nat.Nanotechnol.,2008,3,563568.,当溶剂的表面能与石墨烯相匹配时，溶剂与石墨烯之间的相互作用可以平衡剥离石墨烯所需的能量，适合剥离石墨烯的溶剂最佳表面张力范围应该在4050mJ/m，且在N-甲基-吡咯烷酮（NMP）中产率最高；长时间的超声处理也可以提高单层石墨烯的产率。,3、制备方法,Electrochemicalexfoliation,Experimentalset-updiagram(left)andtheexfoliationofthegraphiteanode(right).,a)TEM,b)FESEM,andc)tappingmodeAFMheightimagesofGNSC8PobtainedinC8mimPF6andwater(volumeratio1:1)aselectrolyteandat15Vappliedpotential,One-StepIonic-Liquid-AssistedElectrochemicalSynthesisofIonic-Liquid-FunctionalizedGrapheneSheetsDirectlyfromGraphite,Adv.Funct.Mater.2008,18,15181525,3、制备方法,supercriticalCO2processingtechniqueforintercalatingandexfoliatinglayeredgraphite,TEMimageofexfoliatedfew-layergraphene.,SupercriticalCO2mediumcanbefullydiffusedinbetweentheinterlayerofgraphitewithhighdiffusivityandlowviscosity.Uponrapiddepressurization,graphiteisexpandedanddelaminated.,MaterialsLetters63(2009)19871989,3、制备方法,SupercriticalCO2exfoliation,Ultrasound-assistedSupercriticalCO2exfoliation,SchematicdrawingofexfoliationofgraphiteformakinggraphenebyultrasoundinsupercriticalCO2.,J.ofSupercriticalFluids85(2014)95101,3、制备方法,Graphitewassuccessfullyexfoliatedintographenebypyreneandanotherthreederivatives(1-pyrenecarboxylicacid(PCA),1-pyrenebutyricacid(PBA),and1-pyrenamine(PA)withtheassistanceofsupercriticalcarbondioxide(SCCO2)inthiswork.,High-qualityandnoncovalentfunctionalizedsingleorfewlayergraphenewereobtained.,ACSSustainableChem.Eng.2013,1,144151,Solvent-ExfoliatedandFunctionalizedGraphenewithAssistanceofSupercriticalCarbonDioxide,3、制备方法,Preparationoffew-layerandsingle-layergraphenebyexfoliationofexpandablegraphiteinsupercriticalN,N-dimethylformamide,J.ofSupercriticalFluids63(2012)99104,3、制备方法,碳纳米管纵切法,Nature2009,458,872.,氧化纵切,3、制备方法,D.V.Kosynkin,W.Lu,A.Sinitskii,G.Pera,Z.Sun,J.M.Tour,ACSNano2011,5,968.,还原纵切,PotassiumandMWCNTsweresealedinaglasstube,heatedinafurnaceat250oCfor14h,andthereactionwasquenchedwithethanoltoeffectthelongitudinalsplittingprocessin100%yield.,3、制备方法,(Bottom-upScaffoldSynthesis),自下而上直接合成法,3、制备方法,Atomicallyprecisebottom-upfabricationofgraphenenanoribbons,Nature,2010,466,460-473.,通过分子前驱体的表面辅助耦合，获得聚苯树脂后，再进行环化脱氢，即可合成具有原子精度的、形状各异的石墨烯纳米条带。,Thereareseveralmethodsofmass-productionofgraphene,whichallowawidechoiceintermsofsize,qualityandpriceforanyparticularapplication.,3、制备方法,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、扫描隧道显微（STM）7、其它方法,4、石墨烯的表征方法,石墨烯的表征拉曼光谱（Raman）,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Raman谱中有3个最重要的特征峰：1584cm-1附近由E2g振动产生的G峰，1350cm-1附近由缺陷引起的D峰，在2680cm-1附近的倍频峰2D峰。不同方法获得的石墨烯因其结构不同，Raman谱中峰的位置和相对强度也有较大不同。如，石墨烯氧化物的缺陷很多，其D峰很强，2D峰则很弱。机械剥离法或化学气相沉积法等获得的高质量石墨烯，其D峰较弱，2D峰则很强。,514nm,Raman光谱可以用于鉴别单层、双层石墨烯与石墨薄层、块体石墨之间的区别。石墨的2D峰可进一步分为两个峰，强度分别为G峰的1/2和1/4;而单层石墨烯的2D峰位单峰，这是二者之间最显著的区别。另外，石墨烯的2D峰强度要高于G峰，且其峰位比石墨的略向左偏移。,随着石墨烯层数的增加，2D峰出现多峰，其峰位置也向高波数偏移并且峰强度逐渐降低。,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）,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。,石墨烯的表征透射电子显微镜（TEM）,在HRTEM下，可清晰看到石墨烯呈轻纱状半透明片状结构分布，HRTEM为石墨烯的一个简单快速的表征。,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X射线衍射（XRD）,(a)石墨氧化法制备单层和寡层石墨烯示意图；(b)单层和寡层氧化石墨烯的XRD图,AFM是一种最为常见、也相对简单的可直接观察石墨烯片层大小和厚度的分析方法。由于表面吸附物的存在，测得的厚度一般在0.7-1.0nm，石墨单原子层的理论厚度即为石墨层片间隙，约为0.34nm。,石墨烯的表征原子力显微镜（AFM）,独立存在的悬浮石墨烯或沉积在基底上的石墨烯为了维持自身稳定性而在表面呈现“波纹状”起伏。借助AFM，发现石墨烯在云母表面时会极大的削弱自身的微起伏，具有最小的表面粗糙度，是“最平”的石墨烯。,Nature462,339-341,(a)石墨烯/SiO2,(b)石墨烯/云母，(c)石墨表面,(d)高度分布图,石墨烯的表征原子力显微镜（AFM）,石墨烯的原子分辨图像可以通过STM得到。STM对样品要求较高，表面需要平整、干净。,石墨烯在铜基底上的STM图像,NanoLett.2011,11,251-256,石墨烯的表征扫描隧道显微镜（STM）,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,复合材料,电子器件,储能材料,室温霍尔效应无损迪拉克费米子极高电子迁移率高透光率,高力学性能高电学性能,高表面积高电导率,5、应用前景,晶体管,（1）可以利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作THz频率的高速动作型RF电路用晶体管，理论上估计其工作频率可达到10THz。（2）正在寻找打开石墨烯带隙的方法，从而可以用石墨烯制作逻辑电路。,5、应用前景,触摸面板,现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡（ITO）。由于其透明性与导电性的优秀结合，ITO被广泛地应用于电子器件。然而ITO在使用过程中也存在一些缺点，包括：（1）铟的价格持续上涨，使得ITO成为日益昂贵的材料；（2）ITO易脆的性质使其不能满足一些新应用（例如可弯曲的LCD、有机太阳能电池）的性能要求；（3）ITO的制备方法（例如喷镀、蒸发、脉冲激光沉积、电镀）费用高昂。虽然石墨烯透明导电薄膜的研究还在初期阶段，但是石墨烯在许多方面比ITO具有更多潜在的优势，例如质量、坚固性、柔韧性、化学稳定性、红外透光性和价格等。因此采用石墨烯制备透明导电薄膜是很有前景的一项工作。,5、应用前景,一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长关系的边缘线上。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。石墨烯的载流子迁移率非常高，但是载流子密度却较低。虽然这样会比较容易穿过更大波长范围的光，但是也会导致导电性下降。,触摸面板,5、应用前景,2013年1月30日，东芝在国际纳米技术展会“nanotech2013”上展出了利用涂覆工艺将石墨烯和银纳