凝聚态物理论文-石墨烯

2013年凝聚态物理论文1海南大学课程论文课程名称：《凝聚态物理》题目名称：浅谈石墨烯学院：材料与化工学院专业班级：材料科学与工程（一）班姓名：林润学号：20100413310020评阅意见评阅成绩评阅教师：2013年月日2013年凝聚态物理论文2Starofthefuture---GrapheneName:LINRun(CollegeofMaterialsScienceandEngineering，HainanUniversity，Haikou570228，China)Abstract：Recently，graphenehasattractedlotsofinterestfrombothfundanlentalandappliedfields．ThemethodsofproducinggrapheneincludingGICsintercalationmethod，reductjon0foxded-graphenemethod，mthodmicromechanicalcleavagemethod，andchemicaldepositionmethodaresumrllarized，andthefutureresearchdirectionisalsopointedoutinthispaper．Keywords：graphene，synthese，property，Applicationofgraphene，一．引言2004年，盖姆和Noveselov等人用机械剥离法，从三维石墨中提取出单层石墨烯，随后，又通过石墨烯获得了石墨烷．石墨烯独特的性质引起了许多科研人员的关注．它不仅可以用来论证相对论的量子力学，还能应用于传感器、晶体管、太阳能电池等．因此，对石墨烯制备方法独特性质、以及改性的研究就如火如荼的展开了。二．石墨烯的发现2008年8月，盖姆讲述了他们当初如何制造石墨烯的故事：2004年，盖姆买了一大块高定向热解石墨，这是一种纯度非常高、通常用于分析的石墨材料。盖姆把它交给了他新来的一位博士生，并给了他一台非常高级的抛光机，希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后，这位博士生拿着一个培养皿告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑，发现那足有10微米厚，相当于1000层石墨烯的厚度。盖姆于是问他，能不能磨得再薄一些?他告诉盖姆，那还再需要一块石墨。这种石墨每块大约要300美元。盖姆承认自己当时的态度可能不太好，于是，那位博士生对盖姆说：“既然你这么聪明，那你就自己试试吧。”盖姆只得自己做了，不过他采用了一种非常“土”的方法。因为石墨具有完整的层状解理特性，可以按层剥离。于是，盖姆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。盖姆把胶带对折后，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一2013年凝聚态物理论文3个碳原子的厚度时，石墨层也就变成了石墨烯。这个看上去非常简单的方法，在此之前也有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。盖姆把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。就这样，第一种二维晶体材料正式出现，这一发现在科学界引起了巨大的轰动，它不仅打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为重要的是石墨烯众多新奇的特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。三．石墨烯概念简介石墨烯，英文名Graphene，是碳元素的一种单质形态。碳是自然界里最重要的素之有着独特的性质，是生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。石墨烯是碳的另一张奇妙脸孔，具有由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构。它像一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结是一个碳原子。这张网只有个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维结构的碳。人类已知的最薄材料，其厚度只有0．335纳米，由于它包含烯类物质的基本特征一一碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。四．石墨烯的制备方法(1)微机械剥离法利用胶带剃离高定向石墨的方法获得了独立存在的二维石墨烯晶体。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为实验室小规模制备。2013年凝聚态物理论文4（2）化学气相沉积法一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通人含碳气体，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）氧化一还原法氧化一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)，加人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。(4)溶剂剥离法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。此方法不会像氧化一还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。（5）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。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五．石墨烯的特性石墨烯(Graphene)是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp2杂化单层碳原子晶体。单个碳原子的厚度仅有0．335nm，自由态的二维晶体结构——石墨烯是目前世界上人工制得的最薄物质。石墨烯的结构简单，但正是这种“简单”衍生出很多迷人的物性，因此让石墨烯具备有特殊的力学特性、点学特性、热学特性以及光学特性。（1）特殊的结构稳定性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯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，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，就能保持结构稳定。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温2013年凝聚态物理论文5度下存在，所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是，现在单层石墨烯已被剥离出来了。石墨烯结构稳定，可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e／h，6e／h，10e／h⋯⋯为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量。”（2）电学性能石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1／300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子(或更准确地，应称为“载荷子”)性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯可以吸收大约2．3％的可见光，而这正是石墨烯中载荷子相对论性的体现。石墨烯是半金属、零带隙半导体具有类似于光的特性。从传导实验测得石墨烯具有非常高的载流子迁移率，更突出的是这样的高迁移率受温度和化学腐蚀影响程度很小，另一方面，石墨烯的电阻率比银还小，因而是地球上，在室温条件下，电阻率最小的材料。（3）力学性能石墨烯是人类已知强度最高的物质此钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些之间粒径为10～20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1-1．5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。结果发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2．9微牛。这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。2013年凝聚态物理论文6（4）光学性能研究证明石墨烯具有卓越的非线性光学性能，其原理是在芯片放置一个碳原子厚度的石墨烯片，可将不发生光电或不发生电光转换的无源器件，转化成为一个可发射微波光子信号、对波长进行转换的有源器件。石墨烯与硅结合后是一种独特的光电材料，其具备的超快非线性光学调制性能，不仅为超快芯片、高速光通信等许多新颖的应用打开大门，而且在光互连以及低功率光子集成电路领域具有广泛的应用价值。六．石墨烯国内研究状况我国的研究人员也正在石墨烯领域开展积极的探索。中科院物理研究所王恩哥等采用剥离一再嵌入一扩涨的方法成功地制备了高质量石墨烯。利用透射电子显微术对石墨烯进行表征并进行了深入的晶体结构分析。一电学测量表明，所制备的石墨烯在室温和低温下都具有高的电导，比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高2个数量级。他们通过LB膜组装技术，将悬浮在溶剂里的石墨烯一层一层地转移到固体表面，制成大面积的透明导电膜，并研究了它们的光学透过率与膜厚的关系。高质量石墨烯及其LB膜的制备对未来石墨烯的大规模应用具有重要意义。中国科学院化学所的研究人员探索了一种制备图案化石墨烯的方法，以图案化的金属层作为催化剂制备了图案化的石墨烯，并成功地将其应用于有机场效应晶体管电极。研究结果表明，石墨烯是一种性能优异的有机场效应晶体管电极材料。低的载流子注入势垒和良好的电极半导体接触是器件具有高性能的主要原因。这一研究进展为有机场效应晶体管和石墨烯的发展奠定了良好的基础。中科院数学与系统科学研究院明平兵研究员及合作者刘芳、李巨的计算结果表明，预测石墨烯的理想强度为110～121GPa，这意味着石墨烯是目前人类已知的最为牢固的材料。2008年12月7日在南开大学举行了“石墨烯／单层石墨研讨会”，就石墨烯／单层石墨研究现状和发展方向(制备、表征、性质及应用探索)进行了深入探讨，使我国在该领域向更高的学术和研究水平迈进。七．结束语及对石墨烯未来展望人们发现，石墨烯可以涵盖金属、半导体、绝缘体等领域，这极有可能带来2013年凝聚态物理论文7一场材料工业的变革．因此，瑞典皇家科学院将2010年诺贝尔物理学奖授予Geim和Novoselov，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究，这是近20年来比较少见地将诺贝尔奖授予应用研究．诺贝尔奖提升了石墨烯在全球的关注度，预计相关生产、应用的研发投入将大幅增加．虽然石墨烯的相关研究已逐步深入，形成了制备方法、性质与应用三大方向的分类探索，并在软性电子学、电极材料、传感器、生物兼容等方面取得较大的进展，但仍无法实现其大面积、高质量的工业化生产．因此，关于石墨烯的可控制备、石墨烯结构和物性的调控以及石墨烯材料的应用研究等仍然是未来的研究热点．不庸置疑，作为一个创新空间很大的全新领域，作为一个前沿交叉领域，石墨烯将在不久的将来走出实验室，走进人们生活的领域，为未来生活增添炫丽的光彩。参考文献【1】陈闽江，邱彩玉，孙连峰．浅谈石墨烯的发展与应用LI]物理教学．2010【2】李旭，赵卫峰，陈国华．石墨烯的制备与表征研究LI]．材料导报．2008【3】徐秀娟，秦金贵，李振石墨烯研究进展U】．化学进展．2009【4】AQQIUMZADEH，NARABCHI，RASGARI．Quasiparticlepropertiesofgrapheneinthepresenceofdisorder[J]．SolidStateCommunications.2008【5】GEIMAK．NOVOSELOOKS．Thedeeofgrapheme[J]．NatuIeMa