石墨烯的应用课讲

2-Dgraphene1、石墨烯的简介2、石墨烯的特性3、石墨烯的制备方法4、石墨烯的表征5、石墨烯的应用前景报告目录1、简介2010年10月5日，瑞典皇家科学院，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家,以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。1、简介2004年，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。1、简介石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。“二维结构”从想象到现实1、简介石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成0D的富勒烯，卷成1D的碳纳米管或堆叠成3D的石墨。2、特性“最强性能”有许多最薄最轻载流子迁移率最高电阻率最低强度最大最坚硬导热率最高厚0.335nm，比表面积为2630m2/g室温下为20万cm2/Vs（硅的100倍）约为10-6Ω•cm（比铜和银更低）破坏强度：42N/m（结构钢的200倍）3000~5000W/mK（硅的50倍）2、特性单层石墨烯的价带与导带相交于布里渊区的六个顶点，这些顶点就是狄拉克点。由此，我们发现石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料。低电阻率高迁移率高迁移速度半整数量子霍尔效应2.1电学特性石墨烯三维能带结构图2.2力学特性2008年，美国哥伦比亚大学两名华裔科学家研究发现，GR是至今测量过的强度最大的材料，比结构刚的强度要高200倍。2013年，该研究团队发现即使是存在缺陷的GR仍然是目前已知的强度最高的材料。完全由缝合晶界组成的石墨烯薄膜能保持超高强度，这是GR在柔性电子和加强件等领域大量应用的关键。2、特性2.3热学特性(1)石墨烯的导热率高达5300W·m-1·K-1，是铜的2倍和硅的50倍；(2)单层石墨烯的导热率与片层宽带、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；(3)石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点；(4)在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。2、特性2.4光学特性2008年，奈尔(Nair)等人发现石墨烯在近红外和可见光波段具有极佳的光透射性。他们将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在几十个μm量级的孔洞上，发现单层石墨烯的透光率可达97.7%，而且透光率随着层数的增加呈线性减少的趋势。不同层数石墨烯的透射光谱2、特性3、制备方法机械剥离法化学气相沉积法SiC热分解法氧化石墨烯还原法石墨烯制备方法3、制备方法3.1机械剥离法机械剥离法，是一种反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯的方法，缺点是很难控制所获得的石墨烯片的大小及层数。而且只能勉强获得数mm见方的石墨烯片。其优点是，可以获得采用其他方法时无法实现的极高品质石墨烯片。还有人指出，“正是因为机械剥离法的出现才使石墨烯的分离研究在短时间内取得了进展”。3、制备方法3.2化学气相沉积法另外，制造大面积石墨烯膜也已成为可能。采用的方法是化学气相沉积法。这是在真空容器中将甲烷等碳源加热至1000℃左右使其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜的技术。2010年6月韩国成均馆大学与三星电子等宣布，开发出了可制备30英寸单层石墨烯膜的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板，这一消息让石墨烯研究人员及技术人员感到十分吃惊。不过，在1000℃高温下采用的工艺只能以分批处理的方式推进，这是该制造工艺的瓶颈。而且这种工艺还存在反复转印的过程中容易混入缺陷及杂质的问题。3、制备方法3.3SiC热分解法SiC基板的热分解法是，将SiC基板加热至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自发性重新组合形成石墨烯片的工艺。IBM公司2010年1月将原来的机械剥离法改为这种方法制作了石墨烯场效应管。其优点是“不会受原来SiC基板上存在的若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片”。而其存在的课题是，需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数μm见方以上，而且很难转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC基板。3、制备方法3.4氧化石墨烯还原法第4种制作工艺是三菱气体化学2000年开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液内溶化，在基板上涂上薄薄的一层后再使其还原。目前，这种方法用于制作大面积透明导电膜以及采用涂布工艺制作的薄膜晶体管。尽管该工艺的温度较低而且方法简单，但由于采用折叠多个数十nm见方断片的构造，而且不能完全还原，因此存在的课题是很难确保充分的导电性及透明性。Raman结果示,1580cm-1附近出现的G峰来源于一阶E2g声子平面振动,反映材料的对称性和有序度，2670cm-1附近的2D峰是双声子共振拉曼峰,其强度反映石墨烯的堆叠程度，石墨烯层数越多,碳原子的sp2振动越强,G峰越高,4、石墨烯的表征4.1拉曼光谱（Raman）GR的扫描电镜图像，可以看到GR是二维网络。GR的薄片几乎是完全透明的，并被揉成一条卷曲的，波浪状的形状。该片的边缘部分折叠，以便总降低表面能4.2扫描电子显微镜（SEM）4、石墨烯的表征4.3透射电子显微镜（TEM）4、石墨烯的表征TEM分析所获得石墨烯样品的形貌。整体上石墨烯形貌是卷曲的片状，出现的大量褶皱起伏的片层结构，是为了减少体系的自由能。在TEM下，可清晰看到石墨烯呈轻纱状半透明片状结构分布，从图中可大致估计石墨烯的层数和大小。TEM为石墨烯的一个简单快速的表征4、石墨烯的表征XRD可用来表征石墨烯的合成过程，对每一步反应进行监控。从图可以看到，石墨的（002）衍射峰在2=26.7度，对应d=334pm；而在经过氧化后，（002）衍射峰消失不见，同时（002）衍射峰变强，对应2=11.7度，d=758pm，层间距变大应该是石墨层上引入含氧官能团的缘故4.4X射线衍射（XRD）4、石墨烯的表征原子力显微镜是石墨烯片层结构最有力、最直接有效的工具。它可以清晰地反应出石墨烯的大小、厚度等信息。4.5原子力显微镜（AFM）4、石墨烯的表征热重—示差扫描:用于分析温度变化过程中的物理化学变化，如晶型转变、物质含量、相态变化、分解和氧化还原等，研究样品的热失重行为和热量变化。低温氮吸附测试:测定石墨烯的孔结构和比表面积，计算比表面积、孔径大小、孔分布、孔体积等物理参数。傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）:用来识别化合物和结构的官能团，在石墨烯制备中主要用于氧化石墨烯的基面和边缘位的官能团的识别。4.6其它方法4、石墨烯的表征5、应用前景许多研究机构及厂商已开始以具备多项穿透特性的单层石墨烯为研究对象，研发新一代器件的实用化，其应用领域从原子尺寸扩大到宇宙。5.1晶体管（1）我们可以利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作THz频率的高速动作型射频电路用晶体管，理论上估计其工作频率可达到10THz。（2）我们正在寻找打开石墨烯带隙的方法，从而可以用石墨烯制作逻辑电路。5、应用前景高速晶体管世界上许多公司及大学都致力于石墨烯高速晶体管的开发，其原因之一在于如果开发出以THz频率工作的晶体管，就可以实现电和光的控制技术无缝连接。时间单位栅长截止频率2008年12月IBM150nm26GHz2010年09月UCLA144nm300GHz2010年12月SAIT180nm202GHz2010年12月IBM240nm230GHz5.1晶体管5、应用前景5.2触摸面板现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡（ITO）。由于其透明性与导电性的优秀结合，ITO被广泛地应用于电子器件。然而ITO在使用过程中也存在一些缺点，包括：（1）铟的价格持续上涨，使得ITO成为日益昂贵的材料；（2）ITO易脆的性质使其不能满足一些新应用（例如可弯曲的LCD、有机太阳能电池）的性能要求；（3）ITO的制备方法（例如喷镀、蒸发、脉冲激光沉积、电镀）费用高昂。虽然石墨烯透明导电薄膜的研究还在初期阶段，但是石墨烯在许多方面比ITO具有更多潜在的优势，例如质量、坚固性、柔韧性、化学稳定性、红外透光性和价格等。因此采用石墨烯制备透明导电薄膜是很有前景的一项工作。5、应用前景2013年1月24日，中科院重庆研究院正式公开宣布，该院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。该院研究中心副主任史浩飞表示，石墨烯的应用将给我们的手机、平板电脑带来很大的变化，如果手机、平板电脑上的其他部件和材料也得到相应改进,也许未来5~10年,手机、电脑的显示屏就可以真正实现可折叠。5.2触摸面板5、应用前景智能手机所采用的CPU速度不断增大，内存容量扩大，操作系统性能提高，超薄的机身，对散热的要求逐渐增大。为了能够让手机热量更快散出去，不少手机厂商都会给手机贴上石墨散热片。目前国内市场上销售的智能手机越来越多的采用石墨片作为导热材料，例如苹果、三星、HTC、小米、魅族等等。石墨烯的导热率是石墨的3倍，所以石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片。5.3散热薄膜5、应用前景2013年4月2日，贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。石墨烯散热薄膜外观与锡箔纸相似，柔韧能任意折叠，可用剪刀剪成任意形状。“薄膜厚度控制在25微米左右，相当于普通A4纸的三分之一厚”，用约360℃高的热源去靠近它时，石墨烯散热膜的表面温度可均匀保持在127℃左右。5.3散热薄膜5、应用前景美国加州大学洛杉矶分校和日本物质材料研究机构各自开发出了使用石墨烯作为电极、能量密度与充电电池相当的电容器。两者在制造石墨烯时都开发了独自的方法，有利用制造消费类产品的技术的，也有在石墨烯中加入碳纳米管的。良好的导电性高比表面积优异的柔韧性良好的机械性能石墨烯以其优异的物理化学性质迅速引起了超级电容器研究人员的强烈兴趣。5.4超级电容器5、应用前景日本物质材料研究机构（NIMS）通过在石墨烯中添加CNT来制作电极。在石墨烯中添加CNT之后，CNT会通过自组织方式自然地进入石墨烯中。这就制造了适当的间隙，是电流及离子的密度增加。最后使输出功率密度与能量密度达到了前所未有的高水平，是采用活性炭电极时的10倍。5.4超级电容器5、应用前景石墨烯在光电子学和光电探测应用领域极有潜力。优点：光谱带宽广响应迅速缺点：光吸收能力弱缺乏产生多倍载荷子的增益机制石墨烯极高的导电性着实令科学家着迷，也因此激发了科学家利用石墨烯来设计超高速光电探测器。传统的硅基光电探测器不能折叠，也不便宜，而且不够灵敏。多年来，一种便宜、可折叠的光电探测器一直是科学家们的梦想。单层石墨烯似乎可以胜任。然而单层石墨烯吸收光子的能力比硅还差，仅有2.3%的光子被吸收。我们所需要的是一种迫使更多光被吸收的方法。5.5光电探测器5、应用前景2012年，他们又提出利用双层石墨烯作为有源区的波导光调制器，采用一种类似p-绝缘层-n的结构，直接利用石墨烯代替硅与金属电极形成接触，得到了0.16dBμm-1的调制深度，1GHz的响应宽度。利用双层石墨烯作为有源区的波导光调制器5.6光调制器5、应用前景所以，石墨烯可以作为高性能可饱和吸收体制作激光器。目前，基于石墨烯纳米片、石墨烯聚合物薄膜和石墨烯溶液等形式的石墨烯饱和吸收体已被广泛用于产生锁模脉冲。科学家发现石墨烯因其独特的二维原子结构表现出优越的可饱和吸收特性，例如：低饱和吸收光强度宽波段可饱和吸收可控的调制深度光纤兼容5.7激光器5、应用前景浙江大学的高超教授创造了世界最轻的材料—石墨烯全碳气凝胶，0.16毫克每立方厘米。这是处理污染的绝佳材料。它能吸附石油，现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的有机溶剂，而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。5.8控制污染5、应用前景美国洛克希德马丁公司发明了能够生产低耗能