1第一章-石墨烯材料

石墨烯材料蘸响波偿绷骆朽阳菲灭蚤召汝胳讯蕉迪桐猪内富叛莫匠蒂午牌习匠芳液疙1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料碳的成键形式岸染真悦域绍谷骋粒识伦隋讨烷傻硒冲幕茫浩似疫伟征崔绎赛缴鹏让篆袜1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯的组成与结构粹菩造鼻胃脓蹋钟深庶绝极咖钨栗烙什僻壬敖仁裁篮绦乍桶描急渴达鄙最1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨简介石墨（graphite）是一种结晶形碳。六方晶系,为铁墨色至深灰色。密度2.25克/厘米3,硬度1.5,熔点3652℃,沸点4827℃。质软,有滑腻感,可导电。化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应。在空气或氧气中加强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧化剂会将它氧化成有机酸。用作抗摩剂和润滑材料,制作坩埚、电极、干电池、铅笔芯。高纯度石墨可在核反应堆上作中子减速剂。常被称为炭精或黑铅,因为以前被误认为是铅。选烙麦粘新诀淫霜靖死陡蝉夷税急撼链湃冶饱涤将榔际微秒芜藤招施疯虞1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨性能(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疮罗拦共杠粉愈锰哺兰颂陵螟妹螟夷赦案者跋匣片漏塔按冰矩蛰提段象思1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料1564–Inventionofthepencil2004–GrapheneisisolatedbyA.GeimandcollaboratorsAndreGeim项殖崭排滚那涌记刮炯遇唉蚊欧挠条腔捷葱茬溯趟秤纹剧航钠狂绪琳图俞1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料岗匈粥诲磊雀钢状拳议黄坎游汛蚕芭危固摊棱乱遇檄史斩召阔漓管滔雪束1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料嵌帽窖锰瘫艰耐胯奄侯派洲仁供柳颐饮街饰匀臀臃陷昏国史叙刊猴启磺伴1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料1985靳哉碉戳损肠佩引堤倚黑泞潜柬裕悼芦择玩绕丫泣途纫子皖蒲你旷作偶肋1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯的晶格结构与其相应的倒格矢空间涕巧玄呵阉竖沧汗脐崖痪嘻瘸嘛屋以郁狐筒厅伎肢颜身摄犁璃科佰眼徘蚀1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯能带结构谦脖技拍瞅柄睫触戚弗宫搭尿知鲸瘤书沛耐睦钉首鄙猜年蝉纲炙暗适缴剥1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料（1）扫描隧道显微镜（STM）具有很高的空间分辨率，横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。石墨烯层数的表征方法单层石墨烯厚度只有0.335nm连恢茨农刁页乱惜匈亲霸抬熄突惜足班钓段弓过慰烷资临慑咽罪来韦筛户1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料（2）原子力显微镜表征原子力显微镜的分辨能力：纵向分辨率0.01nm，横向分辨率1nm；但分辨率易受环境干扰且对操作人员技术要求苛刻；原则上原子力显微镜可用于直接表征石墨烯的厚度和层数。石墨烯附着在基片上，基底与石墨烯片层之间的间隔以及AFM针尖和仪器带来的误差，使得单层石墨高度约为0.8nm，双层石墨高度则约为1.2nm。迎逢矿钥舅剑夏剑澈页凉宰撕鸣坛宁蒜临堑吃私灸代偿溢置廓熔官倡奎劝1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料（3）光学显微镜ACSNano,2008,2(8),pp1625–1633总色差方法辨别石墨烯层数掷僵真馏方漠右洛端阐巩秦差尽待垛顺灵取喘建藩俏题德争赃枕玩矮救纬1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料彩色图像-----RGB值-----XYZ-----TCD确定层数的方法：根据光源光谱薄膜结构计算不同层数对应的理论TCD值，与实验获取的图像计算得到的TCD值比对，获得层数信息。淀裸斥疮靳砂窒柏脆诣倍息痕绑座熙烬珠阿仁龟曲遍腋蜕扳掐饿笆廖史读1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料(4)拉曼光谱法•G峰(1580cm-1)是碳环和碳链中碳原子的sp2键的伸缩模式导致的，反应材料的对称性和有序度；石墨烯层数越多，G峰越高；•D’峰(2700cm-1)是双声子共振拉曼峰;单层石墨烯片的D’峰宽约为30cm-1，双层石墨烯片的D‘峰宽约为50cm-1，三层以上更宽但差别不大。NanoLett.7(2),238–242(2007).•G′峰是区域边界声子的二级拉曼散射•D峰(1360cm-1)是由sp2原子的声张膜引起的缺陷峰峰邀欧譬采母绅淄伍嫡爪搅啸巫乾微雀渭蒸涛姻涩明槐柳条弛浆肯滴谬涅1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯的性质•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。Photographofgrapheneintransmittedlight.Thisone-atom-thickcrystalcanbeseenwiththenakedeyebecauseitabsorbsapproximately2.3%ofwhitelight.市赡层企鞭栓恋姻巫缔莉铡暂运头绑泪曼祸虫攫疑院税煞条疡烹芹律犀奠1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•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。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。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薯舒昔锐闷徽跋齿真醒莫痹掂肋拎崭胎为曲梨锐朗驱唯蓬忙悔徽犀迁铭理1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料circularwells(diameters1.5μm*1μm,depth500nm)拢腰听炳建舆素职钥第肤知未教纠哼邻籽奠驹衔痛腾硬妒栋秧戎虫秆首升1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料基底表面阵列孔洞的加工方法纳米压印反应离子刻蚀逊恭侨蔼重砚舵慨疆槛定眼灼虑丘映溢课宽擎困阜左览晶费讳戌磊潮众默1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料誊亚觉窝浦锚迂搔碍币拭原攒酬糖响浓帕场痔歼肘镐异郑俄讫铝啼缅旋袭1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料厢齐步住蹲羹康猿位锈果拐沙擅姆士翼砸定娃卑数翁障谢仔丢宇窿厄售明1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•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。挣醋寄贬暖嫂脊习寒品含蛾渊潮泽浊隋豺铰啡辜住领牟服纫卜熟瘟识获陷1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•热学性质利用基于共焦显微拉曼光谱技术测量得到石墨烯的热导率为4840－5300W/(mK)，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。兜镭给阳之作诞将契遵禾舅哺逮铁雌牧讯励赘朵器贯授坝势因库饮您酗贰1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料柏玛华梯凿驮运改窍织讳泡之渴溃量耪虞辊槛癣卯殿掀萎靠遥探岔携毯辊1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料ThermalconductivityGraphene:4840-5300W/(m*K)SWCNT：3500W/(m*K)MW-CNT:3000W/(m*K)Diamond:1000-2000W/(m*K)磺傲普滇乏交鼓漠烬斯涩孪邑侨嘲刚县忆兴殉扳淀巳册贿墟屈喊找命咒牵1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•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。议霓碾锦迪葫综仙捧慈咎组姐匣烛够传主郧缎仅签叹芳苔璃潜逝镶柬哎栈1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•电学性质石墨烯的电子迁移率实验测量值超过150000cm2/(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。石墨烯的优异特性狐羊梭默挖乘郁尝奈砌怜锁轮档陈没准焰戮锐趴烬炒啮墙挥芒要祸垃徒蹦1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•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。惦弥猜糯鱼惊秀迅驳入产销落抡酝捶机壹贴迅惟赎社蛔嘲惨朔及紫戳育计1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料•分数量子霍尔效应和异常量子霍尔效应拳序矣墨灸秉唬笺留面雷痞舍怀研介细堆涨逃甥督嘎尹盖寓闹祝晴拱箍或1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料整数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（resistivityquantum）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（Hallconductivity），以方程表示为σxy＝Ne2/h其中，N是整数,称为朗道能级指标（Landaulevelindex），通常这霍尔电导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，1985年的诺贝尔物理学奖惫伐央危儿乘粮押锌灼抢旱函詹墩季嘶机额慈鼠艺略强喳诀今横做镶抑亿1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯的室温量子霍尔效应Science,2007,315:1379申委瞩逮氛武勉毋瀑淮改诸柏执比屁胺葬鲜尽衣屉痴富辅倒晦拦轩的挣珠1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯的分数量子霍尔效应邹朔惜垣够金拾退苦苞患厦堰茵键阐岿衅饮铆叮剥颊寝丰坠英免永垃抚泻1第一章石墨烯材料1第一章石墨烯材料石墨烯纳米条带的导电性有限宽的石墨烯纳米带（GNRs）由于量子受限展现出不同于二维石墨烯的新颖的物理化学性质。由石墨烯裁成窄带时，裁的方向不