石墨烯简介

石墨烯简介摘要：在碳材料中，石墨烯具有特殊的单层窝蜂状结构，由于特殊的分子结构，使得石墨烯具有优良的化学和物理性质，例如：超高的比表面积超高的比表面积(2630m2／g)，导电性能(电导率106S／m)，机械性能(杨氏模量有1TPa)等，在高科技领域中展现了巨大的潜力。同时，石墨烯在能源、生物技术、航天航空等领域都展现出宽广的应用前景。但是由于石墨烯片层之间存在范德华力，促使分子层之间易发生团聚，不利于石墨烯的分散，导致电阻率升高和片层厚度增加，无法大规模高质量的制备石墨烯。本文主要介绍石墨烯的结构，性质，制备方法，以及石墨烯在现阶段的应用。关键词：石墨烯结构性质制备应用目录第一部分：石墨烯的结构第二部分：石墨烯的性质第三部分：石墨烯的制备方法第四部分：石墨烯的应用及其前景第五部分：结语第一部分：石墨烯的结构严格意义上的石墨烯原子排列与单层石墨的相同，厚度仅有一个原子尺寸，即0．335nm，因此又被称为目前世界上已知的最薄的材料，每个碳原子附近有三个碳原子连接成键，碳．碳键长0.142nm，通过sp2杂化与邻近的三个碳原子成键形成正六边形，连接十分牢固，因此可是称为最坚硬的材料。然后每个正六边形在二维结构平面，不断无限延伸形成了一个巨大的平面多环芳烃[1]，如图1-1所示。2007年，Meryer[2]根据自己的研究发现大多数的石墨烯片层呈现单原子厚度，同时表现出有序的结构，通过透射电镜发现，该片层并非完全平整，表现出粗糙的起伏。也正因为这种褶皱的存在，才使得二维晶体结构能够存在。图1-1石墨烯的结构构型第二部分：石墨烯的性质石墨烯在力学、电学、光学、热学等方面具有优异特性。力学特性石墨烯中，碳原子之间的连接处于非常柔韧的状态．当被施加外部机械力时，碳原子面会弯曲变形．碳原子不必重新排列来适应外力，因此保持了结构稳定。石墨烯是人类已知强度最高的材料，比世界上强度最高的钢铁高100多倍。电学特性石墨烯具有超高的电子迁移率，它的导电性远高于目前任何高温超导材料。曼彻斯特大学的研究小组在室温下测量了单层石墨烯分子的电子迁移率，发现即使在含有杂质的石墨烯中，电荷的迁移率仍可达10000cm2/(v·s)。2008年，海姆研究小组又证明．电子在石墨烯中的迁移率可以达到前所未有的200000cm2/(v·s)。不久之后，哥伦比亚大学的博洛京(K．Bolotin)将这个数值再次提高到250000cm2/(v·s)。而目前晶体管的主要材料——单晶硅的电子迁移率只有1400cm2/(v·s)，高纯度石墨烯的电子迁移率超过单晶硅150倍以上。此外，石墨烯的电子迁移率几乎不随温度变化而变化。光学特性石墨烯几乎是完全透明的，只吸收大约2．3％的可见光，光透率高达97．7％。石墨烯层的光吸收与层数成比例．数层石墨烯(FLG)样品中的每一层都可以看做二维电子气，受临近层的扰动极小，其在光学上等效为几乎互不作用的单层石墨烯(SLG)的叠加。单层石墨烯在300～2500纳米间的吸收谱平坦，在紫外区有吸收峰，这是由于石墨烯态密度中的激子移动呈现范霍夫奇异性。在数层石墨烯中，低能区有与带间跃迁相关的其他吸收特性。热学特性石墨烯也是一种热稳定材料。石墨烯的热导率高达5300瓦/(米.开)，是铜的13倍。研究发现,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：石墨烯片层沿平面方向导热具有各向异性的特点;在室温以上，石墨烯的热导率随着温度的增加而逐渐减小。化学特性石墨烯的电学性能受到了广泛关注，然而它的化学特性却一直少人问津。目前已知的化学特性有：石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子，如二氧化氮、氨、钾等吸附物作为给体或受体往往会导致载流子浓度发生变化：而氢离子、氢氧根离子等吸附物会产生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似石墨，因此可根据石墨来推测石墨烯的化学性质。石墨烯的化学性质研究将在今后数年内成为一个研究热点。[4]第三部分：石墨烯的制备方法Geim[5]采用类似日常的胶带为工具，重复粘撕热解石墨的简单方法，第一次制备出石墨烯。该方法虽然成本低廉，但是存在很大的偶然性，因此只适用于实验室的基础研究。随着石墨烯优良的性能被不断的挖掘出来，各种制备方法也相继被提出。目前来说各种制备方法各有优劣，科研人员对石墨烯的制备焦点也主要集中在如何获得面积大、层数少、成本低、工艺简单等几个目的上。[6]微机械力剥离法以1毫米厚的高取向高温热石墨为原料，在石墨片上用于法氧等离子体刻蚀出个5微米深的平台．平台表面涂有一层2微米的新鲜光刻胶，焙固后，平台面附着在光刻胶层上。用透明刻胶可重复地从石墨平台上剥离出石墨薄片。丙酮将光刻胶溶解．光刻胶中较薄的石墨薄片分散在丙酮中。将硅片浸泡在此丙酮中，再用大量的水和丙醇冲洗，墨薄片就附着在硅片上．然后将硅片在丙醇中进行超声处理，可除去较厚的石墨薄片，牢固地保留在二氧硅表面上的都是厚度小于10纳米的石墨薄片。碳化硅热解外延生长法表面已经过氧化或氢气刻蚀后的碳化硅在超高真空的条件下，通过电子轰击加热到1000摄氏度，可以去除表面的氧化物。当氧化物完全去除后，将样品升温至1250-1450摄氏度，并在恒温中保持1-20分钟，即可得到石墨烯薄片，薄片的厚度由温度决定。采用碳化硅热解外延生长法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。化学气相沉积法先高温分解碳源(甲烷等含碳化合物)，后通过强制冷却的方式在镍、铜等具有溶碳量的金属基体表面形成石墨烯。例如在铜基体上生长石墨烯．要求满足低压(50帕～5千帕)、高温(1000摄氏度以上)条件．基体为纯度大于99％的铜箔，载气为氢气。该方法制备石墨烯具有可控性好、铜箔价格低廉、易于转移和规模化制备等优点，有望在透明导电薄膜应用方面首先取得突破。氧化石墨还原法该方法首先利用氧化反应将石墨氧化为氧化石墨，通过在石墨层与层之间的碳原子上引入含氧官能团增大层间距．进而削弱层间的相互作用。常见的氧化法有布罗迪(Brodie)法、施陶登迈尔(Staudenmaier)法及赫默斯(Hummers)法，这些方法均是先用强酸对石墨进行处理．然后加入强氧化剂进行氧化。氧化后的石墨通过超声剥离形成氧化石墨烯．然后加入还原剂，从而得到还原石墨烯。机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法，但存在费时费力、难以精确控制、重复性较差、难以大规模制备的缺点。化学气相沉积法能够制备大面积、高质量的石墨烯薄膜，氧化石墨还原法能够制备大量的石墨烯，均有望实现石墨烯的工业化生产。[7]第四部分：石墨烯的应用及前景实际应用才是所有研究的根本目的,石墨烯的用同样备受关注。基于石墨烯所具有的优良性能以其制备方法的日渐成熟,石墨烯将有可能成为高速晶体管、高灵敏度传感器、超级电容器、复合材料、H2储存以及高效太阳能电池等器件的核心材料[8]。晶体管受物理原理的制约,硅晶体管的研究已基本达到极限,所以寻找新的替代材料势在必行。石墨烯远比硅高的载流子迁移率,零禁带特性、仅0.34nm的极薄的厚度,尤其是特有的超大比表面积使其对于制备大规模集成设备很有优势。基于石墨烯材料的晶体管比硅晶体管更快[9],极具可能成为新一代晶体管理想的电极材料。超级电容器石墨烯具有良好的导电性和超大的比表面积,同时其片之间形成的微孔结构利于电解液渗透和电子传输[10],所以被认为是超级电容器的理想电极材料。传感器石墨烯的超大比表面积是制备传感器的一个重要因素,且基于石墨烯材料的传感器尺寸小、能耗低、耐久、可靠。但是其灵敏度、成本和批量化生产仍是石墨烯传感器有待解决的问题。。石墨烯气体传感器是基于其独特的电子结构使其吸附气体后能快速改变导电性机制制成的[11],对周围环境非常敏感,即便一个气体分子吸附或者释放都可以被检测到。太阳能电池由于石墨烯在很宽的波长范围内具有很高的透过率和载流子迁移率,结合优异的力学性能和稳定性,因而被认为有望替代有毒、价格昂贵、对酸性和中性环境敏感、热稳定性较差、吸收光谱范围较小的氧化铟锡,成为理想的透明电极材料,应用于太阳能电池,所以能量转换效率是其研究的关键所在。近年来,研究人员通过对石墨烯材料进行各种掺杂处理,来提高其能量转化率,取得了很大的进展。第五部分：结语石墨烯特殊的结构和优良的性质使其成为科学研究的重点，虽然将其运用与实际生产还有一定的困难，但是我们可以预见，在不久的将来，石墨烯将作为一种优良的材料渗透到生活的各个方面。参考文献[1]VanNoordenR．Movingtowardsagrapheneworld[J]．Nature，2006，442(7100)：228-229．[2]MeyerJC，GeimAK，KatsnelsonMI，eta1．Thestructureofsuspendedgraphenesheets[J]．Nature，2007，446(7131)：60-63．[3]NairRR，WuHA，JayaramPN，eta1．Unimpededpermeationofwaterthroughhelium-leak-tightgrapheme-basedmembranes[J]．Science，2012，335(6067)：442-444．[4],[7]邹鹏，黄德欢.石墨烯及其应用[J].Science,2014(1):29-32[5]NovoselovKS，GeimAK，MorozovSVetal．Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J]．science，2004，306(5696)：666-669．[6]吕勇.石墨烯及石墨烯/碳纳米管的制备与储能应用[D].成都：西南交通大学.2015[8]朱振峰，程莎，董晓楠.石墨烯的制备和应用[J].功能材料,2013(21),3060-3064[9]WangPu,ZhangWei,LiangOwen,etal.Giantopticalresponsefromgrapheneplasmonicsystem[J].ACSNano,2012,6(7):6244-6249.[10]SuCY,LuA,WuC,etal.Directformationofwaferscalegraphenethinlayersoninsulatingubstratesbychemicalvapordeposition[J].NanoLett,2011,11(9),3612-3616.[11]YavariF,KoratkarN.Graphene-basedchemica[J].JPhysChemLett,2012,3(13):1746-1753