石墨烯的结构与性能全解

石墨烯的制备与应用王永强目录•石墨烯的发现•石墨烯的结构•石墨烯的性能•石墨烯的简单分类•石墨烯的制备通向的电梯石墨烯的发现曾经有人在《太空电梯》一文中设想：1）有一天你走进电梯，按下上升按钮就到了外太空，是不是很酷?这就是太空电梯，它将使人类的梦想成为现实。2）目前，将一个重约2.2千克的东西发射到近地轨道就需耗资约5.3万元人民币，但是太空电梯却可以大大降低成本，让普通人可以在太空中旅行。3）太空电梯的载人舱能够在数千万米长的电缆上移动，而电缆则靠地球转动产生的离心力来固定。碳纳米管的出现又朝这一梦想的实现前进了一步。科学家爱德华兹已证明利用纳米技术可以做出能够支撑太空电梯的超强力电缆。4）科学家研究发现，建造一个200吨的电梯是个合理的设想，而且具有商业价值。一个200吨的太空电梯的大小相当于一架大型的商务飞机。太空电梯的大小完全取决于人的意愿，不受任何物理层面的限制。•人们设想并不是无法实现的在2004年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。他们从高定向热解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。石墨烯的结构•石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨,因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。石墨烯的结构•如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。•少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲，12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管。石墨烯性能简介•光学性能•电学性能•力学性能•热学性能光学性能•石墨烯具有优异的光学性能。•理论和实验结果表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。•如图从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%。电学性能•石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。•电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104S/m，是室温下导电性最佳的材料。电学性能•石墨烯的导电性可通过化学改性的方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。•双层石墨烯在一定条件下还可呈现出绝缘性。力学性能•石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。•其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。•石墨烯的强度极限为42N/m2.。热学性能•石墨烯的室温热导率约为5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10倍多。•石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g。石墨烯的简单分类•单层石墨烯：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。•双层石墨烯：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。•多层石墨烯：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。石墨烯的制备•1微机械剥离法•2004年,石墨烯的发现者安德烈·盖姆等用一种极为简单的方法:微机械剥离法成功地制备并观测到单层石墨烯。他们首先用光刻胶将高定向热解石墨转移到玻璃衬底上,然后用透明胶带进行反复粘贴将高定向热解石墨剥离,随后将粘有石墨烯片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声振荡。再将单晶硅片放入丙酮溶剂中,单层石墨烯片会由于范德华力或毛细管作用吸附在单晶硅片上,从而成功地制备了二维的石墨单层。该法工艺简单,成本低廉,但费时费力,重复性差,难以大规模制备。•2沉积生长法•沉积生长法通过化学气相沉积在绝缘表面(例如SIC)或金属表面(例如Ni)生长石墨烯，是制备高质量石墨烯薄膜的重要手段：•有研究者通过对Si的热解吸附，实现了在以SI终止的单晶6H—SIC的(0001)面上外延生长石墨烯膜或通过真空石墨化在单晶SIC(0001)表面外延生长石墨烯，但是由于SIC在高温下易发生表面重构，导致表面结构复杂，难以获得大面积、厚度均一的石墨烯膜；•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。•3氧化还原法该法以石墨粉为原料,经过强氧化剂浓硫酸和高锰酸钾的氧化,石墨的层间被插入了羟基、环氧及羧基等含氧基团,拉大了石墨的层间距,从而得到了石墨氧化物。然后通过超声作用,将石墨氧化物剥离得到单层的石墨烯氧化物(GO)。对GO进行还原,可以将GO平面结构上的含氧基团去除,可使大P键共轭体系得到恢复,即可制得高导电性的石墨烯。但该方法简单,成本低,可以大量的制备石墨烯。•4溶剂剥离法溶剂剥离法是最近两年才提出的,它的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。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构,可以制备高质量的石墨烯。剑桥大学Hernandez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。•进而Bar2ron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,为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。唯一的缺点是产率很低,限制它的商业应用。•5其他方法石墨烯的制备方法除了上面介绍的外,还有高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。