第四讲_石墨烯-未来硅的替代材料.ppt

第四讲未来硅的替代材料石墨烯,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2600m2/g,具有突出的导热性能(3000Wm-1K-1)和力学性能(1060GPa),以及室温下较高的电子迁移率(15000cm2V-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（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。,一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变。他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜,这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。,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、热膨胀法4、化学法,1、机械剥离法,以高取向高温热解石墨为原料,用透明胶带粘在样品上然后撕开，然后用另外的透明胶带多粘几次，得到石墨烯。,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20m2mm,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,一些石墨烯薄片就附着在硅片上。用另外一种材料与热解石墨进行摩擦，体相石墨表面会产生絮片状的警惕，这些絮片状晶体中含有单层的石墨烯。,2.加热Si-C法,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：将经氧气刻蚀的样品在高真空下通过电子轰击，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,从而制备出单层或是多层石墨烯。,3、热膨胀法,用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片，鳞片的平均厚度约为30m，横向尺寸在400m左右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可以的到厚度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。,4.化学气相沉积法（CVD法）,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,例如,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。,氧化-还原法,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。,溶液剥离法,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。,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。它具有比硅高得多的载流子迁移率(200000cm2/V),在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度!石墨烯是纳米电路的理想材料,也是验证量子效应的理想材料!,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异常量子霍尔效应量子霍尔效应只发生于二维导体。这效应促成了一种新度量衡标准，称为电阻率量子（resistivityquantum）；垂直于外磁场的载流导线，其横向电导率会呈现量子化值。称这横向电导率为霍尔电导率（Hallconductivity），以方程表示为其中，N是整数.,6、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(terahertz)领域。,零带隙、顶栅石墨烯场效应管,基本设计图,SEM图像,双层石墨烯晶体管,双层石墨烯晶体管的SFM图像（a）和AFM图像（b）,双层石墨烯晶体管,噪声频谱,双极超导石墨烯晶体管,(a)双极石墨烯超导晶体管AFM图像(b)示意图,双极超导石墨烯晶体管,石墨烯中的约瑟夫森效应和超导特性,石墨烯纳米带场效应管,设计示意图,AFM图像,石墨烯纳米带场效应管,不同宽度的GNRFET特征对比,优缺点小结,缺点：,优点：,双层石墨烯晶体管可以使噪声信号降低10倍双极超导石墨烯晶体管即使载流子浓度为0也可以提供一定的超导电流零带隙、顶栅石墨烯场效应管可达到很高的饱和速度，使电子器件速度更快石墨烯纳米带场效应管可以使石墨烯器件表现出半导体性质，室温下开关比可达,石墨烯的零带隙特点限制了高的开关电流比的实现。如果利用把石墨烯改造成窄带模式的方法引进带隙，将会导致显著的迁移率下降和制造上的严峻挑战。,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。,气体分子传感器应用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。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。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,透明导电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。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率,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，石墨烯是个很优良的选择。科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。,抗菌应用中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。,其它应用,pH传感器