类石墨烯二维材料—2014.10.26

1、类石墨烯二维材料综述制作人：1、定义： 类石墨烯二维材料是指在一个维度上维持纳米尺度，一个或几个原子层厚度，而在二维平面内具有无限类似碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，具有许多独特的性质。2、意义： 因为二维材料如石墨烯等具有很多非常优异的特性，比如吸收2.3的白光谱，高表面积比，高的杨氏弹性模量，优异的导热导电性，故这类二维材料可以应用在光电学、自旋电子学、催化剂、生化传感器、大容量电容器、晶体管、太阳能电池、锂离子电池、DNA测序等很多领域。3、 在研材料 目前正在研究的类石墨烯二维材料有六方氮化硼、过渡族金属与硫族元素化合物、第三（四）主族金属硫化物、硅烯和锗烯等。二维材料图

2、片六方硼氮结构硅烯结构示意图石墨烯 1 发现： 2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫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。 因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。 克斯特亚诺沃消洛夫说：“我们认为它可以算是不同与金属、半导体、绝缘体之外的崭新的一类材料”。 【命名：石墨烯（Graphene）的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结

3、尾)。它一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在】 2 结构： 因为结构决定性质，先看看石墨烯的结构。石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。sp2杂化轨道 何为杂化？电子轨道能量增加使其激发，中心原子的若干能量相近的原子轨道

4、重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。具有能量较低的电子亚层的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的电子亚层中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的电子亚层。此时，这一个与多个原来处于较低能量的电子亚层的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的电子亚层中的电子相同。这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。 杂化轨道示意图 3 性质及应用 物理性质： a) 强度最高：单排原子，并且原子之间普遍以较大键能的共价键结合。b) 密度：六边形链长0.142nm，面积为0.052nm，密度0.77mg

5、/m透光性和颜色：高度透明，可见光透过率97.7，与波长无关c) 电导率高：每个碳原子都是sp2杂化，每个c原子通过较强的键与相邻的三个c原子相连并且每个c贡献出剩余的一个p轨道电子形成大键，电子可以自由移动；无晶格缺陷或外来原子，电子在轨道运动中阻力很小，速度远超过金属和半导体；各碳原子连接柔韧，结构稳定d) 热导率高：同等条件下是铜的十倍多 电学性质：石墨烯导带与价带在费米能级的6个顶点相交，故为为零带隙半导体，具有金属性和优良的电子性。 化学性质：由于没有做出适用于传统化学的样品，故化学性质研究欠缺。因为结构类似石墨表面，推测可以吸收和脱附各种原子和分子，有高的表面积比，可以作为储氢材料

6、。 应用：DNA测序：石墨烯的结构特点使其对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附作用，DNA的碱基包含六元环结构，石墨烯会与裸露的碱基发生强烈的-作用，从而吸附DNA。催化作用 ：石墨烯具有良好的导电性，在光催化反应或者电化学反应中可作为催化剂的载体，利于光生电子-空穴对的分离，增强催化活性。有机电致发光器件： 利用石墨烯透明导电的特性，北大科研人员制备了（）（）多层结构的发光二极管。 如右图所示：太阳能电池： 石墨烯有较好的光电转换特性，并且作为一个二维结构的薄膜电极具有不少优点：导电特性和光学特性可通过层数变化、掺杂等进行调控，非常平整的表面有利于功能层的组装，清华大学研究人员以石墨烯

7、作阳极制备了肖特基结太阳能电池。 如右图所示：石墨烯纳米发电机 如下图所示： 4 石墨烯制备方法1 机械剥离法 光刻胶反复粘撕 摩擦法2 SiC晶体外延生长 加热单晶6H-SiC除硅3 气相化学沉积法 以含碳有机物为碳源4 氧化还原法 鳞片石墨 氧化石墨 超声分散 还原六方氮化硼二维材料 1 纯净硼氮片的电磁性质 结构 绝缘体 5.9ev 光滑，可做润滑剂。 与石墨烯形成三明治夹层：减少电子空穴和坑，更稳定。层状与块状的能隙及及击穿场强。 2 硼氮片功能化处理 石墨烯完全（半）氢化及氟化的能隙变化硼氮片的氢化。 对硼氮片做原子吸附或替代的功能化处理B-N-C性质。 3硼氮片合成方法 机械或液相剥离法 化学溶剂超声法 亲