石墨烯研究报告教学教材

1、人类目前最强功能人类目前最强功能(gngnng)材料材料-石墨烯石墨烯第一页，共65页。第二页，共65页。比钻石还硬的材料比钻石还硬的材料(cilio)-石墨石墨烯烯第三页，共65页。第四页，共65页。第五页，共65页。第六页，共65页。一、石墨一、石墨(shm)(shm)烯概念烯概念二、发展简史二、发展简史三、石墨三、石墨(shm)(shm)烯特性烯特性四、制备方法四、制备方法 五、应用前景五、应用前景 六、石墨六、石墨(shm)(shm)烯材料的诞生获得烯材料的诞生获得20102010年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖学奖七、国内生产状况七、国内生产状况八、石墨八、石墨(shm)(shm)烯实例

2、烯实例 目目 录录第七页，共65页。一、石墨烯概念：一、石墨烯概念： 石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。 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100 100 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；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，电子在其中的运动第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电

3、子在其中的运动速度达到了光速的速度达到了光速的1/3001/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 石墨烯市场售价大约石墨烯市场售价大约50005000元元/ /克，比黄金贵克，比黄金贵1515倍，广泛用于军倍，广泛用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方事、电子工业领域。石墨烯在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于面，由于(yuy)(yuy)其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。剂。第八页，共65页。石墨烯的来源。常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排列

4、的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，形成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是碳的二维结构，厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。英国曼彻斯特大学的两位科学家科斯提亚 诺沃谢夫和安德烈 盖姆因为首先发现石墨烯获得2010年度(nind)的诺贝尔物理学奖。 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

5、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。第九页，共65页。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距(jin j)仅0.14纳米第十页，共65页。 韩国成均馆大学和三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨(shm)烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。 石墨(shm)烯的材质优点总结：其导电性能比铜还好几倍；坚硬比钢铁大10倍而且极轻，由此可见可用于飞机制造来减少重量与避弹衣制造。 石墨(shm)烯的应用前景：太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池等领域。 瑞典和美国的科学家使用神奇的石墨(shm)烯材料的发光面板，总有一天也许会

6、让基本的灯泡变成多余的。第十一页，共65页。薄得像纸一样薄得像纸一样(yyng)的的iPhone概念概念手机手机第十二页，共65页。二、发展简史：二、发展简史： 石墨烯出现在实验室中是在石墨烯出现在实验室中是在20042004年，当时，英国曼彻斯特大学年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫诺沃消洛夫(lu f)(lu f)发现他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，就离出石墨片，然后

7、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，经过墨烯的新方法层出不穷，经过5 5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。业化生产的领域已为时不远了。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的

8、导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。第十三页，共65页。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费(lngfi)了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。第十四页，共65页。普通电容器和超级(choj)电容器结构（超级(choj)电容器不同于

9、电池，在充放电时不会发生化 学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程完成的）第十五页，共65页。三、石墨烯特性三、石墨烯特性 ：电子运输电子运输在发现石墨烯以前在发现石墨烯以前(yqin)(yqin)，大多数（如果不是所有的话）物理学家，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

10、些可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。能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h. =2e²/h,6e²/h,10e²/h. 为量子电导的奇数倍，且可为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相电子在石

11、墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量对论量子力学，没有静质量”。 第十六页，共65页。第十七页，共65页。三、石墨烯特性三、石墨烯特性 ：导电性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

12、的晶格结构使碳原子具有优秀(yuxi)(yuxi)的导电性。石墨烯中的的导电性。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。发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 第十八页，共65页。富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以(ky)看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过

13、范德华力的联系堆叠成的而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的第十九页，共65页。三、石墨烯特性三、石墨烯特性 ： 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的的1/3001/300，远远超过，远远超过(chogu)(chogu)了电子在一般导体中的运动速度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。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载子载子”(electric charge carrier)”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子，的性质和相对论性的中微子非

14、常相似。非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%2.3%的可见光。的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现第二十页，共65页。三、石墨烯特性三、石墨烯特性 ：机械特性机械特性石墨烯是人类石墨烯是人类(rnli)(rnli)已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度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比世界上最好的钢铁还要高上100100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨倍。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，他们选取了一些之间烯的机械特性进行了

15、全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些之间在在10201020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11.511.5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。烯施加压力，以测试它们的承受能力。 第二十一页，共65页。用用AFM探针在石墨探针在石墨(shm)烯上烯上“书写书写”纳米线纳米线第二十二页，

16、共65页。 研究人员发现，在石墨(shm)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(shm)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(shm)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(shm)烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。 第二十三页，共65页。三、石墨三、石墨(shm)烯特性烯特性电子的相互作用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、哥伦比亚大学利用世界上最强大的人造辐射源，

17、美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨(shm)烯特性新秘烯特性新秘密：石墨密：石墨(shm)烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的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。相互作用。 科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射射线强度的线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨亿倍。科学家利用这一强光源观测发

18、现，石墨(shm)烯中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。很强的相互作用。 第二十四页，共65页。石墨烯的蜂窝石墨烯的蜂窝(fngw)晶格晶格第二十五页，共65页。三、石墨烯特性三、石墨烯特性化学性质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

19、有许类似于石墨，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：缺乏克服的障碍：缺乏(quf)适用于传统化学方法的样品。这一点未得到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。解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。 第二十六页，共65页。四、制备方法四、制备方法微机械分离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。上剪裁下来。2004年年Novosel

20、ovt等用这种方法制备出了单层石墨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。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，无法可靠地制造墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造(zhzo

21、)长度足供应长度足供应用的石墨薄片样本。用的石墨薄片样本。 第二十七页，共65页。通过粘贴Scotch胶带的“机械剥离法”制作(zhzu)石墨烯的顺序第二十八页，共65页。四、制备方法四、制备方法取向附生法取向附生法晶膜生长晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构取向附生法是利用生长基质原子结构“种种”出石墨烯，首先让碳出石墨烯，首先让碳原子在原子在 1 1 5 0 下渗入钌，然后冷却，冷却到下渗入钌，然后冷却，冷却到850后后,之前吸收的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“ 孤岛孤岛” 布布满了整个基质表面，最终它们可长

22、成完整的一层石满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆墨烯。第一层覆盖盖 8 0 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互后，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，而第二层后就几乎作用，而第二层后就几乎(jh)与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得与钌完全分离，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 响碳层的特性响碳层的特性。另外。另外Peter W.Sutte

23、r 等使用的基质是稀有金属钌。等使用的基质是稀有金属钌。 第二十九页，共65页。中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温退火处理退火处理(chl)可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜第三十页，共65页。四、制备方法四、制备方法加热加热 SiC法法该法是通过加热单晶该法是通过加热单晶6H-SiC脱除脱除Si，在单晶，在单晶(0001) 面上面上(min shn)分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的

24、样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物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。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使之温度升高至12501450后恒温后恒温1min20min，从而形成极，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出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。单一厚度的石墨烯比较困难。 第三十一页，共

25、65页。利用NTT物性科学(kxu)基础研究所正在开发的SiC热分解法制作的SiC基板上的石墨烯（右），实际分布有1多层的石墨烯第三十二页，共65页。四、制备方法四、制备方法 包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（模制备高品质无支持（Free standing）石墨烯材料的新途径。通过对原）石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸构和尺寸(ch cun)的调控。这是一种非常新颖、

26、对实现石墨烯的实际应的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。用非常重要的制备方法。 第三十三页，共65页。四、制备方法四、制备方法化学解理法化学解理法 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，天津大学烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学(tin jn

27、d xu)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。石墨烯。 第三十四页，共65页。上图为高定向(dn xin)热解石墨（HOPG），下图为从HOPG撕出来，置于厚度300 nm的二氧化矽表面的石墨片烯。左下角浅色三角形为单层石墨片烯，其余为1 - 5层不等。第三十五页，共65页。四、制备方法四、制备方法化学还原法化学还原法 化学还原法是将氧化石墨与水以化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的的 比例混合，比例混合， 用超声波振用超声波振荡至溶液荡至溶液(rngy)清晰无颗粒状物质，加入适量肼在清晰无颗粒状物质，加入适量肼在

28、1 0 0回流回流2 4 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得厚度为等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。左右的石墨烯。第三十六页，共65页。五、应用前景五、应用前景在纳电子器件方面的应用在纳电子器件方面的应用2005年，年，Geim研究组研究组3 J与与Kim研究组研究组H 发现，室温下石墨发现，室温下石墨(shm)烯具有烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率倍于商用硅片的高载流子迁移率(约约10 am /Vs)，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，并且

29、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弹道传输特性(300 K下可达下可达03 m)，这是石墨，这是石墨(shm)烯作为纳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步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨(shm)烯烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨基电子器件的另一显著优势。此外，石墨(shm)烯减小到纳米尺烯减小到纳米尺度

30、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。子器件成为可能。 第三十七页，共65页。贝尔实验室的贝尔实验室的Fulton等人制成的等人制成的128Mbit石墨烯单电子存储器芯片石墨烯单电子存储器芯片(xn pin)照片照片第三十八页，共65页。五、应用前景：五、应用前景：代替硅生产超级计算机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烯的这种特性尤其适合于高频电路。高

31、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羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法(shf)将越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。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力

32、。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。烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。 第三十九页，共65页。超级计算机芯片-目前世上(shshng)电阻率最小的材料，电阻率仅为10-6 cm第四十页，共65页。五、应用前景：五、应用前景： 光子传感器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担当(dndng)，但硅的时代似乎就要结束。去年，但硅的时代似乎就要结束。去年1

33、0月，月，IBM的一个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。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。 第四十一页，共65页。美科学家制出美科学家制出4寸石墨寸石墨(shm)烯晶圆烯晶圆第四十二页，共65页。五、应用前景：五、应用前景：减少噪音减少噪音美国美国IBM 宣布，通过重叠宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的层相当于石墨单

34、原子层的“石石墨烯墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大，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，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，从而墨烯之间生成的强电子结合，从而(cng r)控制噪音、噪声控制噪音、噪声。 第四十三页，共65页。IBM展示(zhnsh)全球最快石墨烯晶体管，处理速度可达100GHz第四十四页，共65页。五、应用前景：五、应用前景：其它应用其它应用 石

35、墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，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国科研人员发现细菌(xjn)的细胞在石墨烯上无法生长的细胞在石墨烯上无法生长,而人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,食品食品包装甚至抗菌包装甚至抗菌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因石

36、墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极石墨电极,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能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。万英里长太空电梯成为现实。 第四十五页，共65页。从左到右：在石墨烯上印好的银电极从左到右：在石墨烯上印好的银电极(dinj)把材料分成大小为把材料分成大小为3.1英寸的区英寸的区域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石墨烯触摸屏域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石

37、墨烯触摸屏第四十六页，共65页。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(yzh)大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞第四十七页，共65页。中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。 利用这一点可以利用它来做绷带利用这一点可以利用它来做绷带(bngdi)、食品包装甚至抗菌、食品包装甚至抗菌T恤衫恤衫第四十八页，共65页。用石墨用石墨(shm)烯做的烯做的 LECs(光电化学电

38、池光电化学电池)第四十九页，共65页。未来未来(wili)的的“太空天梯太空天梯”第五十页，共65页。六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。 海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作(gngzu)。而作为热导体，石墨烯比

39、目前任何其他材料的导热效果都好。 第五十一页，共65页。2010年年10月月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布(xunb)，将，将2010年诺贝尔物理学奖授年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈予英国曼彻斯特大学科学家安德烈 海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。方面的卓越研究。第五十二页，共65页。六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖 海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验(koyn)，许

40、多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。 海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续平常生活。”第五十三页，共65页。海姆（左）和诺沃肖洛夫海姆（左）和诺沃肖洛夫(lu f)在英国曼彻斯特大学在

41、英国曼彻斯特大学第五十四页，共65页。七、国内生产状况七、国内生产状况 石墨烯产业还在量产探索阶段，还没有发现一种成熟的方法能石墨烯产业还在量产探索阶段，还没有发现一种成熟的方法能够批量生产性能优质的石墨烯。够批量生产性能优质的石墨烯。 目前氧化石墨还原法相对更加容易量产，是生产石墨烯的主流目前氧化石墨还原法相对更加容易量产，是生产石墨烯的主流制备工艺。不过通过氧化还原法，容易使得石墨烯的分子结构收到制备工艺。不过通过氧化还原法，容易使得石墨烯的分子结构收到破坏，而降低了石墨烯的性能；另外，氧化还原法得到的石墨烯溶破坏，而降低了石墨烯的性能；另外，氧化还原法得到的石墨烯溶液中石墨烯非常容易发生

42、团聚现象，使得产品很多的性能与理论值液中石墨烯非常容易发生团聚现象，使得产品很多的性能与理论值有很大差距。有很大差距。 石墨烯另一个相对较成熟的制备方法是气相沉积石墨烯另一个相对较成熟的制备方法是气相沉积(chnj)法。但法。但仍然很多技术问题没有解决，如：使用气相沉积仍然很多技术问题没有解决，如：使用气相沉积(chnj)法所得的石法所得的石墨烯相对机械剥离法制备的石墨烯难以运输；一些使用气相沉积墨烯相对机械剥离法制备的石墨烯难以运输；一些使用气相沉积(chnj)法所得石墨烯的属性（量子霍尔效应）并没有在气象沉积法所得石墨烯的属性（量子霍尔效应）并没有在气象沉积(chnj)法制备的石墨烯中发现

43、，说明气相沉积法制备的石墨烯中发现，说明气相沉积(chnj)法可能会影法可能会影响石墨烯的特性；而且使用气相沉积响石墨烯的特性；而且使用气相沉积(chnj)法得到的石墨烯片只能法得到的石墨烯片只能达到平方厘米的量级，难以满足石墨烯的工业化应用。达到平方厘米的量级，难以满足石墨烯的工业化应用。第五十五页，共65页。化学化学(huxu)气相沉积法：生长在铜箔上的石墨烯转移到气相沉积法：生长在铜箔上的石墨烯转移到PET薄膜的过程示意图薄膜的过程示意图第五十六页，共65页。石墨烯的目前还不具备工业化生产的条件，各国都在针对石墨烯的制备进行积极的探索，也不断的有新的制备方法出现，业内预计2015 年前就

44、能够实现石墨烯的规模化量产。国内的供需情况石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链，目前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模化生产。对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。石墨烯的高强度、高导电性及传热性、超大的比表面积等特性能够在航天军工、锂离子电池、超级电容器等多领域有潜在应用，但由于其成本过高，一直都处于研究阶段。从目前的技术发展来看，最有可能实现工业化使用石墨烯的下游行业是复合材料(f h ci lio)领域和显示技术领域。将石墨烯添加到塑料、橡胶、涂料等基体中，可以大幅增强产品的性能，如强度、韧度、导电性及传热性等，在符合材料领域的应用也是目前石墨烯最大的产业化

45、应用。第五十七页，共65页。七、国内生产状况七、国内生产状况 目前的显示器件中应用最广泛导体材料目前的显示器件中应用最广泛导体材料(cilio)是氧化铟是氧化铟锡锡ITO 材料材料(cilio)，将石墨烯作为导体材料，将石墨烯作为导体材料(cilio)制成显制成显示器件，将增强器件的韧度，制成可以折叠的薄膜显示器。业示器件，将增强器件的韧度，制成可以折叠的薄膜显示器。业内也预计显示技术领域的应用将是下一个能够产业化应用的领内也预计显示技术领域的应用将是下一个能够产业化应用的领域。域。据有关资料显示，我国已有包括清华大学、北京大学、中科院据有关资料显示，我国已有包括清华大学、北京大学、中科院化学所、北京科技大学、