石墨烯基础及性能应用

石墨烯基础及性能应用GrapheneFundamentalsandPerformanceApplications石墨烯基础及性能应用2016年4月28日学校西安建筑科技大学论文名称石墨烯基础及性能应用班级材料科学1302学号130502112姓名王号强指导教师李延军石墨烯基础及性能应用１目录1.碳族材料概述1.1碳的同素异形体—石墨和金刚石1.2碳的同素异形体—富勒烯1.3碳的同素异形体—碳纳米管1.4碳的同素异形体—石墨烯2.石墨烯及类似物的原子结构2.1石墨烯及石墨烯材料的定义2.2石墨烯的原子结构2.3石墨烯与碳纳米管之间的关系2.4其它层状二维晶体2.4.1氮化硼纳米片层2.4.2二氧化钛纳米片2.5纳米结构的石墨烯3.石墨烯的性质及制备方法3.1石墨烯的性质3.2石墨烯的制备方法4.石墨烯的表征5.石墨烯的应用石墨烯基础及性能应用２1.碳族元素概述1.1碳的同素异形体—石墨和金刚石20世纪80年代以前，人们普遍认为碳有两种同素异形结构：石墨和金刚石。金刚石是闪闪发光且非常坚硬的晶体结构，有四个碳原子分别以sp3杂化（键角109度28分）形式相结合，形成三维的正四面体结构。石墨的结构完全不同于金刚石，碳原子采取sp2杂化（键角120度）形成相应的六方晶体结构。这两种材料的性质差异十分显著，例如，石墨中高度离域的π键网络结构表明，石墨比金刚石具有更高的导电率，而金刚石sp3碳原子有很强的共价键连锁网状结构，具有很高的硬度。加之，由于金刚石很宽的带隙（5.5ev），因而金刚石是一种绝缘体，而石墨是一种导体（带隙约为0.25ev）。1.2碳的同素异形体—富勒烯1985年，Kroto等人发现了富勒烯，在其1812种结构中，最稳定的是有12个五边形和20个六边形组成的32面体的笼状结构。一个C60分子的平均外径为1nm。由于富勒烯具有高度对称性，显示出可以在各种表面上滚动的特性，通过轮状富勒烯的转动，设计和合成的纳米车分子可直接在可控的表面上跑动。1.3碳的同素异形体—碳纳米管1991年，日本的电镜专家S.lijima在用石墨电弧发制备C60的过程中意外发现碳纳米管，该材料为中空结构管状物，由2—50层石墨层片卷曲而成，各层之间距离0.343nm，两端由半球形的端帽封闭。碳纳米管最有前景的应用是在场发射设备中作为电子发射器。1.4碳的同素异形体—石墨烯2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和konstantinNovoselov发现了石墨烯（graphene）。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离除较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二，不断重复，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成的新型的二维原子晶体—石墨烯。石墨烯的垩发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。2.石墨烯及类似物的原子结构2.1石墨烯及石墨烯材料的定义石墨烯仅是指排列在六方晶格中的准二维孤立碳原子层。单层石墨烯（single-layergraphene，SLG)和双层石墨烯（bilayergraphene，BLG）才是零带隙的半导体，它们各自只有一种电子和空穴。对于所谓的少层石墨烯（few-layergraphene，FLG，3-10层）而言，其导带和价带发生重叠，出现电荷载流子（chargecarriers）。而更厚的石墨烯结构则被认为是石墨薄膜。当石墨的层数少于10层时，就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构，因此，将10层以下的石墨材料成为石墨烯材料。2.2石墨烯的原子结构单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二位晶体结构，其中碳原子以六元环形状周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过*键与邻近三个原子相连，S、Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键结合，组成SP2（120度键角）杂化结构，由于饱和烃的键角为109度28分，故120度的键角张力较小，所以赋予了石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道在与平面垂直的垩方向形成π轨道，此π电子可在石墨烯晶体平面内自由移动，而使石墨烯有良好的导电石墨烯基础及性能应用３性（附：电子跃迁图）。2.3石墨烯与碳纳米管之间的关系碳纳米管（carbonnanotube，CNT)的原子结构可以看做是由一条石墨烯带卷曲而形成的管状结构。而单壁碳纳米管（single-wallCNT,SWCNT)可以设想为由单一的蜂窝状石墨烯片层卷曲而形成的中空圆筒。2.4其它层状二维晶体2.4.1氮化硼纳米碳层单层六方氮化硼（h-BN）具有类似于石墨的二维蜂巢晶格结构，其中B和N原子交相替代了石墨烯中碳原子的位置。与石墨类似，h-BN中的面内键是共价的，层间键很弱，具有轻微的离子键特性。尽管h-BN和石墨的原子结构类似，但它们的电学性质却有显著的差异，石墨是一种带隙约为0.25ev的导体，而h-BN是带隙约为5.2ev的绝缘体。自从2004年发现了石墨烯，氮化硼薄膜的研究也由此复兴，现在的重点是单层BN薄膜的分离。2.4.2二氧化钛纳米片二维绝缘材料对很多纳米及微米电子设备如内存卡、电容器和栅极介质等非常重要。现在已经有各种各样的TMO（镀金属氧化物）被剥离为二维片层。典型的就是横向尺寸为几十微米的二氧化钛纳米片的合成。二氧化钛（Ti0.87O2)纳米片是由一个Ti原子和六个氧原子组合形成TiO6正八面体，然后八面体的边缘相连形成二维晶格。由于块体TiO2优异的介电性能，二氧化钛（Ti0.87O2)纳米片引起了科学家的广泛关注。2.5纳米结构的石墨烯由于本征二维石墨烯没有带隙，所以并不适合直接用于构建石墨烯基场效应晶体管。为了实现石墨烯在半导体纳电子学中的集成，制备宽度在10nm以下的石墨烯纳米带显得尤为重要，并且能够打开一个大小合理的带隙，因为带隙强烈地依赖于纳米带的宽度以及边缘的原子结构。现在已有多种获得石墨烯结构的试验方法，大致可以分为两类：一类是刻蚀方法，如电子束曝光、纳米线刻蚀、氢离子刻蚀和基于扫描探针显微镜（scanningprobemicroscope，SPM)；还有一类是化学方法，如超声化学切割、催化氢化和二氧化硅的碳热还原。3.石墨烯的性质及制备方法3.1石墨烯的性质（1）电学性质。石墨烯在室温下传递电子的速度比已知导体都快。其载流子迁移率是目前的已知的具有最高迁移率的锑化铟的两倍，超过商用硅片的10倍以上。（2）力学性质。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬。石墨烯单质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，从而使碳原子石墨烯基础及性能应用４不必重新排列来适应外力，保持了结构的稳定性。据实验测得，石墨烯的强度是已知测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍。（3）热学性质。石墨烯是一种稳定材料，其热导率高达5000W/(m.K），是金刚石的3倍。3.2石墨烯的制备方法由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定的，而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯。石墨烯的制备方法主要分为三类:第一类为化学剥离法，通过制备氧化石墨作为前驱体，使用化学还原，熔剂热还原，热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为合成法，包括有机前驱体合成和熔剂热合成两种方法。第三类为催化生长法，包括碳化硅外延生长，气相沉积等方法。4.石墨烯的表征一般的光学显微镜可以实现对石墨烯层数的快速检测。此外，拉曼光谱可以有效的表征石墨烯中原子的振动特性和电子性质；SEM主要用于表征以CVD法在导电基底上生长的石墨烯，它可以直接得到石墨烯的晶粒大小、晶粒形貌、覆盖范围、成核密度和生长速率等信息。TEM可用于确定石墨烯的层数、检测原子尺度的缺陷（缺位、位错、晶界等）和化学性质。5.石墨烯的应用石墨烯的应用范围很广，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学强度最高的材料；还有可能作为添加剂，广泛应用于新型高强度复合材料中；石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。在纳米电子器件方面，石墨烯可以制成室温弹道场效应管，从而进一步减小器件开关时间，实现超高频率的操作等。其他潜能在应用包括：复合材料、作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域。