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简介
这是一个关于石墨烯新材料PPT课件，主要介绍石墨简介、石墨烯能带结构、石墨烯的制备技术。石墨烯材料 石墨简介石墨性能 (1)耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。(2)导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨呈绝热体。(3)润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。(4)化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀，欢迎点击下载石墨烯新材料PPT课件哦。
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石墨烯材料 石墨简介石墨性能 (1)耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。 (2)导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨呈绝热体。(3)润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。 (4)化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。 (5)可塑性：石墨的韧性很好，可碾成很薄的薄片。 (6)抗热震性：石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时 石墨烯能带结构 石墨烯的制备技术微机械剥离法（撕胶带法）用透明胶带在石墨上粘一下，这样就会有石墨层被粘在胶带上。把胶带对折后，粘一下再拉开，这样，胶带两端都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨层也就变成了石墨烯。 如何确定石墨烯是单层的？海姆教授的秘诀是，如果将石磨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。 利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的实验；例如，假若氧化硅的厚度相差超过5%，不是正确数值300nm，而是315nm，就无法观测到单层石墨烯 碳化硅表面外延生长 该法是通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气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，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。在C-terminated表面比较容易得到高达100层的多层石墨烯。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。 化学气相沉积法将石墨烯薄膜外延生长（epitaxial growth）于各种各样基板（substrate） (1)加热SiC法 通过加热单晶6H-SiC脱除Si，从而得到在SiC表面外延的石墨烯。将表面经过氧化或H2蚀刻后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000℃以除掉表面的氧化物，升温至1250℃～1450℃，恒温1～20min，形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。 这种方法得到的石墨烯有两种，物理性质受SiC衬底的影响很大，一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大影响，而生长在C层上的石墨烯则有着极为优良的导电能力。但这种方法制造的石墨烯难以被从SiC衬底上分离出来，不能成为大量制造石墨烯的方法。 (2)金属表面生长 取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，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“ 孤岛” 布满了整个基质表面，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作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，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。另外Peter W.Sutter等使用的基质是稀有金属钌。 肼还原法将氧化石墨烯纸（graphene oxide paper）置入纯肼溶液（一种氢原子与氮原子的化合物），这溶液会使氧化石墨烯纸还原为单层石墨烯 氧化-还原法氧化-还原法是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。 Ruoff 等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4 )和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团 ，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。石墨烯具有极大的比表面积 ，容易发生不可逆团聚 ，一旦团聚 ，石墨烯粉末也很难分散于溶剂中。研究表明 ，石墨烯在环戊酮中分散性最好 ，但可分散浓度也只有 815μg/mL ，要拓展石墨烯在喷涂和液液自组装等领域的应用 ，就需要制备稳定的石墨烯悬浮液。 氧化石墨还原法 与石墨相比，氧化石墨由于拥有大量的羟基、羧基等基团，亲水性较好。氧化石墨经过适当的超声波震荡处理， 极易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨悬浊液。将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波震荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，会产生悬浮的石墨烯片，这些石墨烯片可以沉淀在可弯曲的衬底顶部。这种方法可以大量生产石墨烯，然而被氧化的石墨难以被完全还原， 将导致石墨烯某些性质 （如导电性） 的不足。 Purpose Experimental Procedure Characterization Mechanism of Stable Dispersion 溶剂剥离法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。剑桥大学 Hernandez等 发现适合剥离石墨的溶剂最佳表面张力应该在40～50mJ/ m的平方 ，并且在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为8 %) ，电导率为6500S/ m。Bar2ron 等 研究发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯 ，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷 .一的缺点是产率很低 ，限制它的商业应用。 Solution: Preparation procedure 溶剂热法溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中 ，采用有机溶剂作为反应介质 ，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度) ，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。Choucair 等 用溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题，同时也带来了电导率很低的负面影响。为解决由此带来的不足 ，研究者将溶剂热法和氧化还原法相结合制备出了高质量的石墨烯。 Experimental Procedure Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication 乙氧纳裂解首先用纳金属还原乙醇，然后将得到的乙醇盐（ethoxide）产物裂解，经过水冲洗除去钠盐，得到黏在一起的石墨烯，再用温和声波振动（sonication）振散，即可制成公克数量的纯石墨烯 石墨烯的优异特性电学性质石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm2/(V•s)，载流子浓度约为1013cm-2，在10K～100K温度范围内，迁移率几乎与温度无关；石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率。长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm2/(V•s)，载流子浓度约为1012cm-2，其相应的电阻率为10－6Ω•cm-2，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为1400cm2/(V•s)，电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍，这使得开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。在常温下，即使碳原子受到挤撞，石墨烯中的传导电子所受的干扰也非常小。 石墨烯的优异特性光学性质根据理论推导，石墨烯会吸收2.3%的白光；实验证实这结果正确无误，石墨烯的不透明度为2.3%，与光波波长无关。由于它几乎全部是透明的，但又十分密集，甚至是氦也难以穿过它。石墨烯凭借其很高的导电性和透光性，还可用于透明电极、触摸屏、液晶显示、有机光伏电池以及超级电容器等领域。 力学性质 石墨烯是至今测量过的强度最大的材料，比结构钢的强度要高200倍。这就好比需要让一头大象站在一支铅笔上，才能突破一张保鲜膜厚度的石墨烯薄层。 研究团队从一块大石墨晶体上挑拣出微小的石墨烯样本，使这些样本的每一单个原子都处于表面，接着将这些新建的二维样本置于蚀刻在硅上的小孔上，从而制作出只有一个原子厚的微型圆形薄膜，石墨烯则因原子间的引力而粘附在硅上，为了测试薄膜的强度，科学家用一个半径为200亿分之一米、带有钻石尖端的原子力显微镜来推动薄膜中心。这些每个直径约1微米的样本，因为没有瑕疵，使得科学家能测试其弹性与断裂点的特性，测得石墨烯单层的杨氏模量为1TPa 石墨烯虽然很结实，但是其柔韧性特别好，可以随意弯曲、折叠或象卷轴一样卷起来。石墨烯中碳原子的之间的连接非常柔韧，当施加外部应力时，碳原子面就弯曲变形，碳原子不必重新排列来适应外力，因而就保持了结构稳定性。 轻质特性单原子层厚度使得石墨烯非常轻。考虑到石墨烯上的每个六角形蜂窝的面积是0.052平方纳米，相应地一平方米上有两千亿亿个。而碳原子大约是六角形的二倍。这样算出来的结过是，一平米的石墨烯的重量是0.77毫克。 热学性质 利用基于微拉曼光谱的无触点技术测量得到石墨烯的热导率为3080－5150W/(m·k)，是金刚石的五倍，石墨烯的热导率与单壁碳纳米管，多壁碳纳米管相比有明显提高，。而在石墨烯发现以前，金刚石是已知自然界中热导率最高的。 磁学性质由于石墨烯锯齿形边缘拥有孤对电子，从而使得石墨烯具有包括铁磁性及磁开关等潜在的磁性能。研究人员发现单氢化及双氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性。此外，通过对石墨烯不同方向的裁剪及化学改性可以对其磁性能进行调控。研究表明分子在石墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的磁阻，位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。 量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致，科学家们在石墨烯晶体上施加一个电压（相当于一个势垒） ，然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，部分电子不能越过势垒，使得电导率下降。但事实并非如此，所有的粒子都发生了量子隧 道效应，通过率达100%。这是石墨烯极高载流速率的来源。 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（resistivity quantum）h/e2；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（Hall conductivity），以方程表示为 σxy＝Ne2/h 其中，N是整数，称为朗道能级指标（Landau level index），通常这霍尔电导率现象只能在非常低温（3K），非常高磁场，从非常干净的Si或GaAs固体观测出来， 石墨烯的室温量子霍尔效应石墨烯的分数量子霍尔效应石墨烯纳米条带的导电性为了要赋予单层石墨烯某种电性，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带（Graphene nanoribbon）。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。 石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。有石墨烯的应用 超级电容器 石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率 ，不像多孔碳材料电极要依赖孔的分布 ，这使它成为最有潜力的电极材料。 石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少 (一般化学法制备获得的石墨烯具有200－ 1200m2/g) 即使如此，石墨烯仍然可以获得 100－230F/g 的比电容 如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容 在石墨烯片层叠加，形成宏观体的过程中，形成的孔隙集中在100nm以上，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性 科学家以石墨烯为电极材料制备的超级电容功率密度为10kW/kg ， 能量密度为28.5Wh/kg ，最大比电容为 205F/g ，而且经过1200次循环充放电测试后还保留90%的比电容 ，拥有较长的循环寿命。 在锂离子电池中的应用石墨烯应用于锂离子二次电池负极材料中的性能，其比容量可以达到 540 mAh/g 如果在其中掺入 C60 和碳纳米管后，负极的比容量可以达到 784 mAh/g 和 730 mAh/g 美国普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员指出，若是采用石墨烯(graphene)电极，锂电池的充电时间将能从2小时缩短到只要10分钟。该实验室已经证实超薄石墨烯薄片能组装到锂离子电池的电极，并能大幅缩短充电所需时间。 在太阳电池中的应用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。石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。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；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2% 二维的石墨烯具有良好的透光性和导电性，是很有潜力替代 ITO 的材料 利用石墨烯制作透明导电膜并将其应用于太阳电池中也成为人们所研究的热点。Wang 等人利用氧化石墨热膨胀后热处理还原得到的石墨烯制作为透明导电膜应用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的结果 制备的石墨烯透明导电膜的电导率可以达到 550 S/cm，在1000－3000 nm 的光波长范围内，透光率可以达到 70%以上。 韩国成均馆大学的洪秉熙研究组生产出了高纯度石墨烯薄膜， 把贴在透明可弯曲的聚合物上，制成一个透明电极。这种电极可以取代显示器在所使用的透明电极，价格却比现在通常用的氧化铟便宜的多。首先，他们衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层烯。用制作镍层图形的方式，制备出图形化的石墨烯薄膜。 石墨烯在储氢/甲烷中的应用由于其优异的稳定性和顺从性，碳基材料一向是储氢的理想材料之一。希腊大学的研究者设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调。他们将其称为石墨烯柱，是由石墨烯片和碳纳米管两种碳同素异形体组成的一种3D网状纳米结构。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到美国能源部（DOE）的目标，重量百分比达到6.1 wt%，体积百分比达到41g/l 场发射源及其真空电子器件早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。它被看作是非常优良场致发射电子源材料。 微电子线路和器件海姆和诺沃谢洛夫两人率领的英国科学家开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料是由单原子层构成的石墨烯。石墨烯作为新型半导体材料，近年来获得科学界的广泛关注。英国科学家采用标准的晶体管工艺，首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道。然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。这种量子点往往被称为“电荷岛”。由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。 IBM石墨烯晶体管 IBM的研究人员展示了一种由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管（FET），其截止频率可达100吉赫兹（GHz），这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。 传感器研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移 ，这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen 等 采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料 ，在室温下可以检测到低浓度NO2;石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。 复合材料石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域 ，诸如新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。 Fan 等利用石墨烯的高比表面积和高的电子迁移率，制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺石墨烯复合物，该复合物拥有高的比电容(1046F/g)远远大于纯聚苯胺的比电容115F/g。 石墨烯研究面临的挑战如何大规模制备高质量石墨烯; 石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能 ，磁性等; 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; 开拓石墨烯和其它学科的交叉领域 ，探索石墨烯功能化的新性能。 石墨烯的化学改性石墨烯可以进行化学修饰、化学掺杂、表面官能化、生成衍生物等改性方式：石墨烯经氧化后生成石墨烯氧化物(graphene oxide， GO)；与氢原子键合形成石墨烷(graphane)；在石墨烯晶格中引入氮原子后变成氮掺杂石墨烯或氮化碳(carbon nitride)； 石墨烷(graphane) 石墨烷(graphane).它是一种饱和的碳氢化合物， 具有分子式(CH)n，其中所有的碳是sp 杂化并形成六角网络结构，氢原子以交替形式从石墨烯平面的两端与碳成键。 石墨烷表现出半导体性质，具有直接带隙， 带隙为3.5eV.其体相的储氢能力为0.12kg/L，远高于美国能源部所制定的2015 年储氢能力达到 0.081 kg/L的目标， 显示石墨烯有可能成为一种新型的储氢材料. Boukhvalov等人的理论计算也同样证实了石墨烯的储氢潜力. 石墨烯氮化物及石墨烯掺杂石墨烯应用于微电子器件的一个重要前提是其带隙、载流子浓度、载流子极性等可调， 而化学掺杂是实现这种调控的重要方式. 有效的p-型(n-型)石墨烯掺杂可以通过在碳晶格中形成替代B杂原子(N杂原子)来实现 . Wei等人利用CVD方法，以CH4 和NH3 为反应气在 800℃条件下于Cu薄膜表面上成功生长了氮掺杂的少数层石墨烯XPS结果显示掺入的N含量在 8.9%(原子百分比)，主要以石墨N形式(graphitic N)存在.电学测量表明， N掺杂的石墨烯表现出n-型半导体行为； 对石墨烯表面进行官能化可以实现石墨烯表面掺杂的目的.对于纳米结构的石墨烯包括石墨烯纳米条带和石墨烯纳米岛还可以对它们进行边界掺杂，例如对边界引入含氧官能团 或NO2和CH3 官能团实现纳米石墨烯结构的半金属性质。这种通过在边界反应的方式进行化学改性也是石墨烯化学改性的重要方式。石墨烯的表面化学与催化碳材料广泛地用作催化剂的载体.碳材料除了作为催化剂载体外还可以直接作为催化剂催化一些多相反应，
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