_梦想照进现实_从富勒烯_碳纳米管到石墨烯

收稿日期:2011 01 25; 修回日期:2011 02 10 基金项目:国家自然科学基金(50972101,51072131).

作者简介:杨全红(1972-),男,山西孝义人,博士、教授、博导,研究发向:新型碳质材料和纳米材料.E m ai:l qhyan gcn @tj u https://www.wendangku.net/doc/9f12184744.html,

文章编号: 1007 8827(2011)01 0001 04

梦想照进现实 !!!从富勒烯、碳纳米管到石墨烯

杨全红

(天津大学化工学院,天津300072)

摘 要: 从富勒烯、碳纳米管到石墨烯,过去25年见证了碳的三种同素异形体的发现和快速发展。石墨烯作为理想的二维碳纳米结构,表现出很多奇特的物理化学性质。物理学家和化学家对待石墨烯不同的研究视角以及石墨烯对于物理学家和化学家的不同意义在于:前者的任务是发现极限结构的奇特性质,而后者主要着眼于基于石墨烯的碳纳米结构可控构建和有效调控。化学家另外一项重要任务是解决石墨烯的制备科学问题,而温和条件下 热化学解理 是实现石墨烯规模制备、进而推动石墨烯研究快速发展的重要解决方案之一。关键词: 富勒烯;碳纳米管;石墨烯中图分类号: TQ 127.1+1

文献标识码: A

碳元素由于其独特的sp 、sp 2

、sp 3

三种杂化形式,构筑了丰富多彩的碳质材料世界。近25年来,从零维的富勒烯、一维的碳纳米管到二维的石墨烯,碳的同素异形体不断被丰富; 这三种材料的发现者也分别被授予1996年N obel 化学奖、2008年K av li 纳米科学奖、2010年的Nobel 物理奖

[1]

。纵

观这三种材料的发现过程所体现的三种不同的曲折性,恰恰折射出科学研究的魅力。富勒烯的发现[2]

体现了 意外之美 !!!虽然科学家曾预测了这样的球形碳结构、也有很多科学家与这个意外发现擦肩而过,但应该不会有人想到几位科学家在模拟星际尘埃的实验中可以 意外 收获堪称 完美对称 的球形分子!!!C 60;究竟是谁首先发现了碳纳米管至今都有着很多争议,但不能否认在NEC 公司的电镜下,科学家首次揭示了一维管状碳

[3]

的魅力和科

学意义!!! 失落之美 ,这或许是对其发现过程中作出贡献的科学家们的最好慰藉;从20世纪50年代开始的氧化石墨的规模制备

[4]

,到2004年G ei m

等将石墨烯从高定向石墨上的成功剥离[5]

,可以用

追寻之美 来为石墨烯的发现研究历程做一个注脚。

其实从石墨的层状结构被确定以后,科学家们就一直被一种情结所纠结:理论研究表明,自由状态的二维碳晶体热力学不稳定,不可能存在;但科学家们却一直在尝试获得稳定的单层石墨片,进行着 追梦之旅 。近20多年来,零维的单层富勒烯和

一维的单壁碳纳米管相继被发现,让科学家们看到制备单层石墨烯片的一丝曙光。1988年,日本东北大学京谷隆教授等采用模板技术、以丙烯腈为碳源,在层状材料蒙脱土的层间得到了结构完整的单层石墨烯片,不过这种石墨烯片在脱除模板后不能单独存在,很快会形成高度取向的体相石墨

[6]

。直至

2004年, 梦想照进现实 !!!G e i m 教授课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯,并将其悬挂于微型金架上,这一结果震惊了科学界,从而推翻了 完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在 的这一论断。换言之,自由态的石墨烯在室温下可以稳定存在;而在相同条件下,其他任何己知材料都会被氧化或分解,甚至在相当于其单层厚度10倍时就变得不稳定

[7]

。

从结构上说,石墨烯(G raphene)是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp 2

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,其优异的电子传导性和其他不断涌现的奇特性质激励着科学家们去求索。G ei m 认为: 二维结构是最理想的基础物理研究平台 [1]

,短短的几年时间里,石墨烯优异的力学性质(杨氏模量高达 1.0TPa )、电学性质(电子迁移率高达106

c m 2

?V -1

?s

-1

)、热学性质(热导系数高达5000W ?m -1

?K

-1

)、光学性质(单层石墨烯的可见光

第26卷 第1期2011年2月新 型 炭 材 料NE W CARBON MATER I AL S V o.l 26 N o .1

F eb .2011

吸收仅有2.3%和优异的锁模特性)被相继发现[7 8];纽约时报评价: 石墨烯的出现,使现代物理变得愈发丰富了 [1]

,这应该是G ei m 和N ovo se lov 在Science 杂志上那篇足以载入史册的文章发表后短短6年时间后即获得诺贝尔物理奖的主要原因;物理学家关注石墨烯,主要是期待发现二维极限结构的奇特性质,从而构筑超快、超强、超高的纳米器件[8]

。

在物理学家欢呼石墨烯出现的同时,化学家则从另外的视角去审视石墨烯。石墨烯具有超大的理头材料构建特定结构的碳基材料,从而实现碳质功能材料纳米结构的设计和可控以及宏量地制备

[10]

。

近两年,基于石墨烯片可控组装的薄膜材料、气凝胶、炭泡沫等陆续出现,实践着化学家的各种组装企图

[11 12]

。 不论物理学家的期许还是化学家的企望,石墨烯的可控制备都是促进其基础研究和应用拓展的基础。石墨烯的制备,一方面是要获得无限趋近于零缺陷的用于发现奇特物理、化学性质的完美二维晶体,组装趋近完美的碳纳米结构,这是石墨烯研究的终极目标;另一方面是低成本宏量获得石墨烯材料,用于可以容忍少量缺陷、甚至利用缺陷的某些应用领域(比如:储能、催化),这是石墨烯这种新材料得到产业界认可、快速发展的必由之路。世界上众多科研团队以极大的热忱投入到石墨烯的制备研究中,不断有新的制备方法被报道。在目前主要的几种制备方法中,机械剥离法[5]

、晶体表面外延生长法[13]、化学气相沉积法[14]等主要用于上述第一种目的!!!组建完美的石墨烯纳米结构;而基于氧化石墨的化学解理法被认为是一种最可能实现石墨烯产业化制备的重要方法[10]

,无疑其中化学家扮演着

至关重要的角色。

化学解理的思想从19世纪开始发展,到20世纪50年代趋向成熟[15]

。其主要思路是:通过氧化等方法在石墨的层间引入含氧基团!!!增大层间距、部分改变碳原子的杂化状态(增加sp 3

成分),从而减小石墨的层间相互作用;然后通过快速加热(热化学解理)或者超声处理(超声化学解理)等方法实现石墨的层 层剥离,获得功能化的石墨烯。基于快速加热的热化学解理,在热处理过程中,同步实现石墨烯片层的解理(层-层剥离)和含氧基团的

[16]

。目前主要

的热化学解理方法是对氧化石墨进行快速高温处理(高温热化学解理)!!!在高温下,氧化石墨片层上的含氧官能团受热以高压气体状态迅速释放,在瞬间释放过程中造成强大内应力,使氧化石墨片层内外产生很大的压力差,使石墨烯片层解理、剥离形成单层石墨烯。M c A llister 等

[17]

通过理论分析以及实

验研究,认为在常规条件下,热解理的最低温度是550#;而实际操作中,热解理温度一般在1100#的高温下,才能实现石墨烯的完全解理。高温热化学解理方法制备条件相对苛刻:首先,快速升温和高温过程对设备的要求较高,耗能高,造成成本偏高;其次,由于在高温下进行,工艺难于控制、材料的结构难于控制;此外,快速升温、高温膨化这样的非稳态过程给石墨烯带来很多缺陷,制约了石墨烯物性研究的深入。科学家们在快速获得高温环境,获得高质量石墨烯材料等方面取得了很多进展。W u 等

[18]

提出氢电弧法,使实现大规模制备高质量石墨

烯成为可能。根据氢电弧放电反应温度高、可实现快速加热及原位还原的特点,采用电弧加热膨胀解理石墨以去除含氧官能团和愈合结构缺陷,进而提高石墨烯的质量;较普通快速加热方法,采用氢电弧方法所制石墨烯的抗氧化温度提高了近100#,导电率提高了近2个数量级。相对快速升温和高温环境,发展条件较为 温和 的热化学解理方法,将可能使化学解理方法成本降低、工艺简化,实现制备过程的可控性,从而更易实现石墨烯制备过程的放大、

实现产业化和规模化应用。Lv 等[19]

通过对氧化石墨热行为的分析,发现其中含氧官能团的脱除主要发生在150#~230#狭窄的温度区间。换言之,高温不是含氧官能团脱除,实现石墨烯热化学解理的必然选择。如果可以在氧快速释放的低温区间,给氧化石墨内外施加大的压力差,将可能实现石墨烯的低温化学解理制备。基于以上考虑,他们提出低温 负压化学解理方法!!!通过营造真空环境,造就氧化石墨内外压力差;当含氧基团在低温下(200#~400#)从氧化石墨层间受热脱除时仍能产生强大的内外压差,以实现石墨烯片层的快速解理、剥离。这种方法可以低成本、宏量获得低缺陷浓度、具有高电化学容量的高质量石墨烯。化学解理方法是短时间内大量获得石墨烯的理想方法,虽然具有一定的结构缺陷,但这样的石墨烯材料在储能、催化等领域已经展现出很好的应用前景

[19 20]

;同时

经过工艺条件的优化和适当的后处理,所制石墨烯的质量明显提高,在太阳能电池等领域也表现出应

?

2? 新 型 炭 材 料第26卷

用潜力;化学解理方法的前躯体氧化石墨烯是一种典型的双亲分子,具有独特的界面特征,通过界面作用可以构筑结构可控的碳纳米结构,实现碳基材料的功能导向组装制备。

科学发现是一个不断产生梦想、验证梦想和实现梦想的过程;科学的魅力在于在不经意间收获 梦想照进现实的快感。G e i m等在2004年从高定向石墨上用胶带将具有奇特电学性质的单层石墨烯剥离下来,可以看作是一种 追梦之旅的完美结局。三种低维碳纳米结构的陆续发现及其奇特物理化学性质的揭示,让很多人惊呼碳时代(The era o f carbon allo tropes[21])的来临;而且比之富勒烯和碳纳米管,石墨烯展现了更快的发展速度。2010年,石墨烯的研究论文达到3000篇,有300项专利申请;已经有多个生产、出售石墨烯的公司[22]??科学家们还在继续着寻梦 追梦:继富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后,是否还会有新的碳同素异形体出现?石墨烯是否有更加奇特的性质?高质量石墨烯的宏量、可控制备以及规模应用能否在可预见的近期实现?科学家们开始新一轮的 追梦之旅,期待着梦想不断照进现实。物理学家梦想着新一代的纳电子器件,而化学家梦想着功能纳米结构的可控设计和组装!!!石墨烯的使命刚刚开始??

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469:14 16.

?3

?

第1期杨全红: 梦想照进现实 !!!从富勒烯、碳纳米管到石墨烯

Drea m s m ay co m e :fro m fullere ne ,carbon nanot ube to graphene

YANG Quan hong

(S c h ool of Che m ical Eng i neeri ng and Tec hn ology,T ianji n Un i versit y,T ianji n

300072,Ch i na )

Abst ract : The past t w enty five y ears have seen the discov er y of three ne w car bon a ll o tr o pes :fullerene ,car bon nano tubes and g raphene .G raphene ,w ith an i d ea l t w o d i m ensiona l structure ,de m onstrates m any un ique phy sical and che m ica l pr operti e s .This short rev ie w presents different faces o f g raphene i n the eyes o f phy si cists and che m ists .Fo r phy sicists ,graphene m eans the th i n nest platfo r m to reveal ne w o r unexpected properties of m ateria ls ,w h il e ,fo r che m ists ,g raphene acts as a basic and starti n g un it fo r desired structures w ith tuned properties .Ther m a l che m ica l ex fo li a ti o n under m ild and w e ll con tro llab l e conditi o ns is high lighted as a feasible so luti o n for the rea lizati o n o f m ass production and early app lications o f g raphene based m ateria ls .K eywords : Full e rene ;C arbon nano tube ;G raphene

Foundati on ite m:Nati onalN at ura l Science Foundati on o f C h i na (50972101,51072131).A ut hor i ntroduction :YANG Q uan hon g(1972-),m a l e ,Ph.D.,Pro fess or ,en gaged i n t h e research of new carbon m at eri a l s and nano m ateri als .

E m ai:l qhyangcn @tj https://www.wendangku.net/doc/9f12184744.html, .cn

编者按:此文用诗歌的形式形象生动地描绘了富勒烯曲折的发现史!!! 恰似无镜空画颦 、 生花预见几成真 、 凤凰临台不曾迎 、 妙手偶得神来笔 。科学发现中山重水复的无奈和峰回路转的喜悦尽呈诗中, 翠屏 湖畔同学少年 求索众 和 探乾坤 的情景跃然纸上??

长述富氏碳

湖似翠屏影婆娑,二十三楼朋满座;

小小世界亦多娇,不负才俊探乾坤;

氤氲袭人不见日,嗅之敏者入之深; 层峦叠嶂阻于途,品兰芝兮得甘醇; 琼氏戴维初构设,层片分子尽空心; 奈何为时方尚早,恰似无镜空画颦; 几多浮想几多求,富氏穹顶启轩门; 昔有盛唐蹴鞠戏,足球烯乃藏昆仑; 家住扶桑东更东,大泽映二度迷津; 幼子嬉戏赠妙笔,生花预见几成真; 英雄难过语言关,启明星黯止黎晨; 富氏碳之春来迟,姗姗匿隐于星尘; 葱郁难掩奥登山,内卡河畔访上宾; 海德堡城敛鸿儒,古风遗韵亦纳新; 赫夫曼氏本无心,插柳蔚然以成荫; 探其所径究其踪,宇宙渺茫浮微尘;

骆驼峰起引猜寻,拉曼谱未解其源; 弃之可惜食无味,凤凰临台不曾迎; 翩翩绕梁无处栖,飞入他人堂前坪; 藏龙卧虎引骏捷,德克萨斯稀白丁; 有朋慕名远方来,柯尔殷殷敞门庭; 莫名此行终有果,不计几日阴与晴; 驼峰再现非偶遇,克罗托誓志其明; 纵有佳人闺门深,矢志不渝不负卿; 暗流汹涌隐动容,春潮无澜似海平; 涉猎之广增裨益,克罗托幸获垂青; 富氏碳出犹圣子,世人纷如伏蜇惊; 埃克森憾失此荣,缘为嗅觉逊彼营; 嗅之敏而思无垠,合于建筑共美谈; 妙手偶得神来笔,一枝独秀胜旗旌; 五十丝弦难奏磬,同学少年求索众; 尽染层林寒霜雪,冷香傲梅别样红。

(高一丹供稿)

注1:此诗是杨全红教授所开设课程 碳质纳米材料和绿色电源科技 的结课论文,作者系天津大学化工学院2007级本科生。本课程为天津大学化工学院 化学工程与技术 专业本科生选修课,开设四届选者甚众,迄今人数已达400余人。注2:此诗写作素材取自:&完美的对称!!!富勒烯的意外发现?(&Perf ect sy mm etry :

t he acci den t al d i scovery of Buckm i nsterfull erene ?中译本,J .

Baggott 著,李涛、曹志良译,上海科技教育出版社1999年出版)和 碳质纳米材料和绿色电源科技 课程讲授内容。

注3:诗中所提到 嗅觉 和 嗅之敏 意指杨全红教授在本课程中反复强调的科研发现中所应具有的灵敏 科研嗅觉 。本课程通过讲授富勒烯、碳纳米管和石墨烯的发现过程,使同学们在感受科学发现中的 意外之美 、 失落之美 和 追寻之美 的过程中,体会到灵敏的 科研嗅觉 和发达的 科研味觉 对科学研究的重要性。

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4? 新 型 炭 材 料第26卷

石墨烯介绍

1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 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，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

碳纳米管;石墨烯;及碳纳米管-石墨烯复合材料

目录 摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1) 1.1 石墨烯简介 (1) 1.2 石墨烯的结构和性质 (2) 1.2.1 石墨烯的结构 (2) 1.2.2 石墨烯的性质 (4) 1.3 石墨烯的表征 (5) 1.4 石墨烯的主要制备方法 (6) 2 碳纳米管 (8) 2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8) 2.2 碳纳米管的结构和分类 (9) 2.2.1碳纳米管的结构 (9) 2.2.2碳纳米管的分类 (11) 2.3 碳纳米管的生长机理 (12) 2.3.1 顶部生长机理 (12) 2.3.2 底部生长机理 (13) 2.4 碳纳米管的性能 (14) 2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14) 2.4.2 热学性能 (14) 2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15) 2.4.4 光学性能 (16) 2.5碳纳米管的制备 (16) 2.5.1 电弧放电法 (16) 2.5.2 激光蒸发法 (17) 2.5.3 化学气相沉积法 (18) 2.6.碳纳米管的预处理 (19) 2.6.1 碳纳米管的纯化 (19) 2.6.2 碳纳米管的分散 (19) 2.6.3碳纳米管的活化 (20) 2.7碳纳米管的应用 (20) 2.7.1 在电磁学与器件方面 (20) 2.7.2 在信息科学方面 (21) 2.7.3 储氢方面 (21) 2.7.4 制造纳米材料方面 (21) 2.7.5 催化方面 (22) 2.8 存在问题及发展方向 (22) 3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22) 3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22) 3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)

石墨烯、碳纳米管总结

第四、五章总结 石墨烯、碳纳米管的化学生物传感 一、石墨烯和碳纳米管 1、石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。 2、碳纳米管是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp 2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 由于石墨烯和碳纳米管独有的结构和奇特的物理、化学特性，迅速成为备受瞩目的国际前沿和研究热点。 二、石墨烯和碳纳米管的制备 1、石墨烯的制备 （1）机械剥离法(机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨表面剥离开来。是制备石墨烯最为直接的方法。但低产率和尺寸不易控制等缺点使该方法仅适用于实验室的基础研究。) （2）氧化石墨-还原法(利用KClO 和HNO 可以使石墨层深度氧化，获得氧化石墨(GO)，GO与石墨烯具有类似的平面结构，以其为前体采用适当的还原方法可以使其表面的功能团消除，获得石墨烯材料。) （3）化学气相沉积法(采用一定化学配比的气体为反应物，在特定激活条件下，通过气相化学反应可在不同的基片表面生成石墨烯膜层。优点一、获得单层石墨烯比例大，二、结晶完整度高。缺点：成本高产量低。) 2、碳纳米管的制备方法 自发现CNTs以来人们尝试了多种方法进行制备研究，取得了一定的进展。如电弧法、激光蒸发法、催化裂解法等。在以上许多的制备方法中，有一个共同的特点，即产生小的碳(Cn)组分以使CNTs生长，从这一点来看，各种合成方法的区别在于产生碳组分的方法不同。电弧法和激光蒸发是由电极或靶蒸发产生的碳蒸气；催化裂解法是由碳氢化合物与催化剂相互作用产生的碳蒸气。 三、石墨烯和碳纳米管的功能化 所谓功能化就是利用石墨烯和CNTs在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯或CNTs表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。由于石墨烯和CNTs具有类似的结构，而且表面都含有羧基、羰基等含氧基团，因此对两者表面进行功能化的方法可以一致，即共价键合功能化和非共价键合功能化 四、石墨烯和碳纳米管在化学生物传感技术中的应用 1、石墨烯的应用 （1）基于其荧光效应LuCH等通过标记荧光染料的单链DNA吸附于氧化石墨烯上制备出一种复合物，进而用于目标单链DNA的检测。 （2）基于其载体作用Zhang Y等发展了一种制备Fe3O4纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的新方法，该复合材料可以实现磁靶向纳米药物输运等用途。 （3）基于其拉曼效应M.Manikandan等分别用原位合成和混合超声的方式

石墨烯碳纳米管散热涂料技术

石墨烯碳纳米管散热涂料技术 （1）项目背景 碳材料是目前人类认知的材料中功能最全、性能最优越、形式最多样的材料，是目前所有已知划时代材料所有不能比拟的，继硅时代之后21世纪甚至有望成为碳材料时代。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构， 每一次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有超强的力学性能和热传 导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6000W/m.K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3000W/m.K，是热导率最高的材料。同时，碳纳米管比表面积大，被誉为世界上 最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的 1.0。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送 密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料。 碳纳米管在功能涂料领域主要发挥以下主要作用： （1）导电填料：碳纳米管的导电阈值低至0.1wt%，而传统炭黑却高达15wt%以上，碳纳米管可以在极少量添加的情况下即达到目前炭黑型导电涂料的 性能，避免大量无机炭黑添加对涂料工艺性的负面影响。因此，碳纳米管在抗静电涂料、电磁屏蔽涂料、重防腐涂料等领域具有显著优势。同时还能利用其电致发热的作用，开发新型的节能加温、保温涂料，在家居地暖加温、仪器设备保温等新型市场具有极大的商业前景。 （2）散热填料：碳纳米管不仅具有超高的热导率，同时还具有接近理论黑体的辐射率，以此加强其红外辐射散热功能，因此新型散热涂料将有望改变目 前散热模式，大大提高热交换能力。 （3）力学增强填料：充分发挥碳纳米管一维结构的优势，在涂层内部形成增强网络，将使涂料力学性能大大提高，尤其是耐磨性、硬度等，甚至可形成

简述碳纳米管和石墨烯的成建构成

1、简述碳纳米管和石墨烯的成建构成？ 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)作为碳的第四种同素异形体，由于其准一维的管状纳米结构，以及独特的机械、电子传导、气体吸附等性质，越来越被人们所关注和研究，并已在多种领域得到广泛的应用。 2、碳纳米管的性能由直径D和手性角θ来确定。已知碳纳米管单胞的手性矢量为C=na1+ma2 ，试推导碳纳米管直径D和手性角θ表达式。当（n，m）为（8，0），（8,4），（8,3）时判断碳纳米管类型。 CNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定，而这两个参数又取决于两个整数n和m值，Ch=na1+ma2，a1和a2为CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致了不同的纳米管结构1,5。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。 根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。

碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物，因为它们代表着更高的性能，更轻的质量，更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚，但随着其后续大量的投入，已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好，但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为：单壁碳纳米管（左），多壁碳纳米管（右） 随着行业对于材料性能的要求越来越高，传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩，而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知，碳纳米管（CNTs）和石墨烯（graphene）及其复合材料因其卓越的电气及机械特性，已经在诸多领域，如光电，传感器，半导体器件，显示器，指挥，智能

纺织品和能量转换装置（例如，燃料电池，收割机和电池）等，显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看，碳纳米管（CNTs）可以用作有机或无机半导体的替代物，但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而，碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域（电磁屏蔽除外），碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率，其材料还能呈现透明状，使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO，用于制作显示器，触摸屏，光电与显示母线和其他产品。经实验证明，碳纳米管的迁移率高于硅，这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外，碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备，如印刷设备，从而帮助提高生产工艺，并显著降低生产成本。碳纳米管还适用于制造超级电容器，其原理是通过利用电容和晶体管的功率密度来平衡电池的能量密度，从而达到弥合电池和电容器的差距的目的。 从目前发展程度来看，碳纳米管的最大挑战是材料纯度，设备制造，以及对其他设备材料（如适当的电介质）的需要。但毋庸置疑的是其无法超越的性能优点（比如高性能，灵活

石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究

石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究 Alexander A. Balandin 近年来，在科学领域和工程领域，人们越来越多地去关注导热性能好的材料。散热 技术已经成为电子工业持续发展的一个重要的话题，低维结构的材料在热传导方面显示 出了优异的性能。就导热能力而言，碳的同素异构体及其衍生品占据了举足轻重的地位。在室温下的碳材料的导热系数跨越了一个非常大的范围——超过了五个数量级——从导 热系数最低的无定型碳到导热系数最高的石墨烯和碳纳米管。在这里，我回顾一下以石 墨烯碳材料为热点的最近热性能的研究成果，碳纳米管和纳米级的碳材料在研究方面遇 到了不同程度的难题。在二维晶体材料方面，尤其是石墨烯，人们非常关注尺寸对热传 导的影响。我也描述了石墨烯和碳材料在电子传热机理上的应用前景。 实际生产应用和基础科学的发展表明了材料热性能研究的重要性。由于功耗散热水 平的提高，导热技术已经成为电子工业持续发展的一个非常重要的热点。对导热性能非 常好的材料的研究严重影响着下一代集成电路和3D 电子产品的设计进程。在光电子和 光子设备领域我们也遇到了类似的需要导热处理的问题。另外，电热能量转换技术需要 材料具有很强的抑制热扩散的能力。 材料的导热能力由其电子结构决定，所以一种材料热性能原理可以描述另外一种材 料的热性能现象。材料热性能的变化只是在纳米尺度上变化。由于声子散射边界的增多 或者声子色散的变化，纳米管和大多数晶体将不再传热。同时，对二维和一维晶体的热 传导理论的研究解释了材料内在优异的热传导性能的原因。二维晶体导热性能的差异意 味着不像非晶体那样，它恢复材料的热平衡不能仅仅靠晶体的非简谐振动，因为这不但 需要限制系统的尺寸，而且还需要掺杂进非晶体结构，这样才能符合热传导性能的物理 意义。这些发现引发了在低维系统中对傅里叶定律的实用性的非议。 碳材料具有非常多的同素异构体，在热性能方面占据了举足轻重的低位（如图， 1a ）。碳材料不同的同素异构体的热传导率跨越了很大的一个范围——五个数量级—— 非晶碳的热导率为0.01W . mK ?1 ，在室温条件下金刚石或者石墨烯的热导率为大约

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况

德国碳纳米管及石墨烯 的发展概况 LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物，因为它们代表着更高的性能，更轻的质量，更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚，但随着其后续大量的投入，已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好，但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为：单壁碳纳米管（左），多壁碳纳米管（右）随着行业对于材料性能的要求越来越高，传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩，而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知，碳纳米管（CNTs）和石墨烯（graphene）及其复合材料因其卓越的电气及机械特性，已经在诸多领域，如光电，传感器，半导体器件，显示器，指挥，智能纺织品和能量转换装置（例如，燃料电池，收割机和电池）等，显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看，碳纳米管（CNTs）可以用作有机或无机半导体的替代物，但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而，碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域（电磁屏蔽除外），碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率，其材料还能呈现透明状，使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO，用于制作显示器，触摸屏，光电与显示母线和其他产品。经实验证明，碳纳米管的迁移率高于硅，这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外，碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备，如印刷设备，从而帮助提高生产工艺，并显着降低生产成本。碳纳米管还适

石墨烯、石墨烯碳纳米管的制备及其超级电容器性能研究

国内图书分类号：O613.71 学校代码：10213 国际图书分类号：540 密级：公开 理学硕士学位论文 石墨烯、石墨烯/碳纳米管的制备及其超级电 容器性能研究 硕士研究生：葛士彬 导师：杨春晖教授 申请学位：理学硕士 学科：无机化学 所在单位：化工学院 答辩日期：2009年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: O613.71 U.D.C: 540 Dissertation for the Masteral Degree in Science PREPARATION AND SUPERCAPACITOR PROPERTIES OF GRAPHENE、GRAPHENE/ CARBON NANOTUBES Candidate：Ge Shibin Supervisor：Prof.Yang Chunhui Academic Degree Applied for：Master of Science Speciality：Inorganic Chemistry Affiliation：School of Chemical Engineering Date of Defence：June, 2009 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的发展，人们对于清洁能源以及生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,由于其无污染、高效的优良特性，越来越受到人们的重视。石墨烯自2004年问世以来，已经在诸多领域引起了广泛的关注，各国科学家都在争先恐后的研究石墨烯的各种特殊的性质。石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g，而且其导电性非常好，是制造超级电容器的理想材料。 采用Hummers还原氧化石墨法制备了石墨烯，使用AFM、SEM、TG表征了其结构与形貌，讨论了干燥温度和溶剂对石墨烯形貌的影响，结果表明，石墨烯样品的厚度为0.59nm，低温干燥可以使石墨烯保持良好的片状结构，有水存在时可以使石墨烯更好的分散。 采用石墨烯为电极材料制备出超级电容器，研究了粘结剂含量、石墨烯涂覆量、电极成型压力、电解液对石墨烯电极电容性能的影响，结果表明，随着PVDF含量的增加，掉粉现象消失，等效内阻增大；石墨烯涂覆量太少比容量小，太多容易掉粉；随着电极成型压力的增加，比容量逐渐减小；在6mol/L的KOH溶液中，所制得的电容器比容量可达72F/g。通过循环伏安法、恒流充放电法、交流阻抗法研究了石墨烯超级电容器的电化学性能，结果表明，电容器在不同电压扫描速率下表现出良好的可逆性和双电层电容特性，可大电流充放电，等效串联内阻小。 将碳纳米管引入石墨烯体系中，制备出石墨烯/碳纳米管复合材料，扫描电镜结果显示，碳纳米管被成功的负载到了石墨烯上。采用石墨烯/碳纳米管复合材料为电极材料制备出超级电容器，研究了不同碳纳米管种类、碳纳米管含量对石墨烯电极电容性能的影响，结果表明，采用长度为1-2μm、外径10-20nm的多壁碳纳米管制备的电容器表现出最好的电容性能，比容量达112F/g，随着碳纳米管含量的增加，比电容增加，但过多反而使比电容下降。通过循环伏安法、恒流充放电法、交流阻抗法研究了石墨烯/碳纳米管超级电容器的电化学性能，结果表明，电容器在不同电压扫描速率下表现出良好的可逆性和双电层电容特性，甚至60mV/s 时仍表现出很好的电容特性，可大电流充放电，充放电效率高，等效串联内阻小。 关键词石墨烯；超级电容器；碳纳米管；比容量

碳纤维和碳纳米管的区别

碳纤维和碳纳米管的区别 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、

约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管是中空的，属于纳米级别的，肉眼看不见，有单壁和多壁不同层数的，而炭纤维是微米级别的，比头发丝细但是肉眼肯见，都是碳材料家族的成员。 先进纳米材料制造商和技术服务商——江苏先丰纳米材料科技有限公司，2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线，2017年年产高品质石墨烯粉末50吨，石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导！欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看~ ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、

石墨烯与碳纳米管：一样的前生,不一样的今世

石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世精选 |关键词:石墨烯, 碳纳米管 2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自1991年被发现至今近20年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。 石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图1）。作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。网上大多溢美之词：“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”，“Material of the Future”，“A thoroughbred that has to be tamed”，“Electron superhighway”，...。目前，关于碳纳米管的研究，无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。组成及结构上的紧密联系，使二者在研究方法上具有许多相通之处。事实上，很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。

碳纳米管的应用,石墨烯的制备

1.碳纳米管的制备 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在530℃~1130℃范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人采用此方法，用Fe 催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳纳米管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 2 碳纳米管的应用 碳纳米管在微电子技术上的应用 要获得能应用于微电子器件中的被扩大的功能性装置，将有组织的碳纳米管排列在大规模的表面上是很重要的。在这种条件下，就需要一种可控的方式排列高质量的碳纳米管来建造一些有用的结构，这样就基本上不用进行进一步的操作了。研究表明，利用化学蒸气沉积，催化剂粒子尺寸控制，碳纳米管定向自组装技术，可以在硅基体上成功实现自定向单分散性的碳纳米管的大规模排列。通过实验发现这些碳纳米管具有电子场发射特性，同时样品显示了低操作电压和高电流稳定性。这种制造方法与当前半导体的制作法是一致的，因此这种技术的推广可促进应用于微电子技术的碳纳米管装置的发展。单电子晶体管是一种可以替代传统微电子元件而应用于未来微电子技术的理想元件。 随着碳纳米管组成的分子导线、二极管、场效应管、单电子体管的出现，下一个目标就是将这些部件有机组合形成能完一定逻辑功能的电路。研究表明，利用有场效应管特性的碳纳管可以制成能完成逻辑“非”和逻辑“或非”的电路。同时，对此路稍加改动，也可以实现其它的如“与”、“或”、“异或”等逻辑算。此外，通过连接2个反向器还实现了电路的静态随机存取储功能，并显示了比较稳定的工作状态。在这方面，还有文报道了利用一个交错排列的悬空碳纳米管结构，能产生双稳的、可调的开关状态，并且利用这个结构实现了有非易失性存功能电路的制造。 石墨烯的制备方法 1 物理法制备石墨烯 1.1机械剥离法 机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt 等于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下：首先利用氧等离子在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20 μm—2 mm、深5 μm的微槽后，用光刻胶将

石墨烯和碳纳米管混合材料制作

制成石墨烯和碳纳米管混合材料 发布时间：11/08/13 美国加州大学洛杉矶分校研究人员寻找到制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法，该混合材料有望作为太阳能薄膜电池和家用电器设备的透明导体，比现在使用的具有相同功能的其他材料更具柔软性且价格更低。 在5月13日出版的美国化学会《纳米快报》（Nano Letters）杂志上，该校加州纳米系统研究所的两位成员——材料学和工程学教授杨阳与化学和生物化学教授理查德·卡纳介绍了他们新开发的石墨烯和碳纳米管混合材料的加工方法。 在包括平板电视、等离子体显示器和触摸屏以及太阳能薄膜电池等在内的许多电器设备和产品中，透明导体是不可分割的整体部分。目前常用的透明导体为铟锡氧化物（I鄄TO），但由于铟锡氧化物十分昂贵，刚性强且易碎，存在局限性。 研究人员表示，对于带有活动部件的电器设备，石墨烯和碳纳米管混合材料是铟锡氧化物理想的高性能替代品，完全可与目前常用的铟锡氧化物相媲美。石墨烯是一种良导体；碳纳米管在保证导电性的前提下用料非常少，因而是良好的透明导体。杨和卡纳新开发的单步骤将两种材料混合的方法具有简易、廉价的特点，产品可满足多种需要材料具有柔软性的应用。 此外，这种混合材料也是高分子太阳能薄膜电池电极的理想候选材料。利用高分子材料产生太阳能薄膜电池的优点之一是高分子材料的柔软性。然而，将铟锡氧化物用于高分子太阳能薄膜电池电极后，薄膜电池的效率会因薄膜电池的卷曲而降低，柔软性的优势难以发挥。用这种新研制的混合材料代替铟锡氧化物后，薄膜电池在效率不变的情况下仍可保持本身的柔软性。柔性太阳能薄膜电池可以用于多种材料，如住房的窗帘。 与杨和卡纳共同工作的博士生文森特·董认为，新开发的混合材料的潜在用途并非仅体现在电器活动部件的物理排布上，通过深入研究，它有望成为未来光学电子设备的基础构件。

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Graphene-nanotube 3D networks: intriguing thermal and mechanical properties Journal: Journal of Materials Chemistry Manuscript ID: Draft Article Type: Paper Date Submitted by the Author: n/a Complete List of Authors: Xu, Lanqing; Xiamen University, Department of Physics Wei, Ning; Xiamen University, Department of Physics Zheng, Yongping; Fujian Normal University, School of Physics and OptoElectronics Technology Fan, Zheyong; Xiamen University, Department of Physics Wang, Huiqiong; Xiamen University, Department of Physics Zheng, Jin-Cheng; Xiamen University, Department of Physics Journal of Materials Chemistry

Page 1 of 36Journal of Materials Chemistry Graphene-nanotube 3D networks: intriguing thermal and mechanical properties Lanqing Xu a,b, Ning Wei a, Yongping Zheng b, Zheyong Fan a, Hui-Qiong Wang a,c and Jin-Cheng Zheng*a,d a Department of Physics, Institute of Theoretical Physics and Astrophysics, Xiamen University, Xiamen 361005, People’s Republic of China b School of Physics and OptoElectronics Technology, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, People’s Republic of China c Fujian Key Lab of Semiconductor Materials an d Applications, Xiamen University, Xiamen 361005, People’s Republic of China d Fujian Provincial Key Laboratary of Theoretical and Computational Chemistry, Xiamen University, Xiamen 361005, China. * corresponding author. Email: jczheng@https://www.wendangku.net/doc/9f12184744.html,.

石墨烯对比碳纳米管材料

石墨烯对比碳纳米管材料 2005年，国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫，很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中，碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。 2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后，明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学，作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外，在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”，其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入，美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signatureinitiatives)之一。除美国外，欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用，布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。 碳纳米管材料中，最有可能替代硅的有两个，碳纳米管和石墨烯。在石墨烯获得诺贝尔奖之前，碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料，而如今，由于石墨烯在全球范围内的狂热，似乎有代替碳纳米管之势，那么，石墨烯和碳纳米管，究竟谁能堪当大任呢？ 碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状 1991年，日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管，也就是现在被称作的碳纳米管CNT，又名巴基管。 碳管材料具有极为优秀的电学特性。室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称，均可以达到10000cm2/(V？s)以上，远超传统半导体材料。另外碳管的直径仅有1～3nm，更容易被栅极电压非常有效开启和关断。 碳纳米管相对于硅材料的优点： 1)载流子输运是一维的。这意味着减少了对载流子散射的相空间，开辟了弹道输运的可能性。相应地，功耗低。 2)所有碳原子的化学键都是链接的，由此，没有必要进行化学钝化工艺以消除类似存在于硅表面的悬挂键。这意味着碳纳米管电子不一定非得使用二氧化硅绝缘体，高介电常数和晶体绝缘体都可以直接使用。

从碳纳米管到石墨烯——浅谈碳纳米材料的研究进展

从碳纳米管到石墨烯— ——浅谈碳纳米材料的研究进展陈留群１，孙光辉２，李春林１，金江彬１ （１　台州市黄岩明江塑胶有限公司，台州３１８０２６；２　河南省化工研究所有限责任公司，郑州４５００５２）摘要 碳纳米材料是目前纳米材料领域最为耀眼的明星。由于碳纳米管与石墨烯有着极为相似的结构和性质，使得碳纳米管相关的研究方法和手段被广泛地应用于石墨烯的研究中，从而推动了石墨烯研究的快速发展。简要概述了碳纳米管相关研究手段在石墨烯研究中的应用进展。 关键词 碳纳米管　石墨烯　制备　应用 Ｆｒｏｍ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｔｏ　Ｇｒａｐｈｅｎｅ：Ｐｒｏｇ ｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃａｒｂｏｎ　ＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓＣＨＥＮ　Ｌｉｕｑｕｎ１，ＳＵＮ　Ｇｕａｎｇｈｕｉ　２，ＬＩ　Ｃｈｕｎｌｉｎ１，ＪＩＮ　Ｊｉａｎｇ ｂｉｎ１ （１　Ｔａｉｚｈｏｕ　Ｃｉｔｙ　Ｈｕａｎｇｙａｎ　Ｍｉｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｌａｓｔｉｃ　ａｎｄ　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ　３１８０２６；２　Ｈｅｎａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　 ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇ ｚｈｏｕ　４５００５２）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｈｉｎｉｎｇ　ｓｔａｒｓ　ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅｙ　ｈａｖｅ　ｍａｎｙ　ｆａｓｃｉｎａｔｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｉｎｃｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅｉｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒ－ｔｉｅｓ，ｍａｎｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｄａｐｔｅｄ　ｏｎｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｂｏｕｔ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　 ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｋｅｙ　 ｗｏｒｄｓ ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　陈留群：女，１９８４年生，硕士，主要从事功能材料研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌｉｕｑ ｕｎ１０１６＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ０　引言 碳是自然界中极其丰富的元素之一，也是同素异形体最为丰富的元素之一。金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的最常见的两种同素异形体。１９８５年富勒烯的发现让人们认识了碳家族的一位新成员，并促使人们去发现更多碳的同素异形体。１９９１年碳纳米管的问世进一步丰富了碳家族，碳纳米管因其优异的电学、 力学、热学和物理化学等性能在众多领域都有着潜在的应用前景，在过去的２０年间受到研究者们广泛的关注。２００４年石墨烯的发现在完善碳家族成员的同时也将人们对碳纳米材料的研究推向了一个新的高度。 １　石墨烯的结构和性能 石墨烯又称单层石墨，是一种二维平面的蜂窝状结构，也是零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石墨最基本的 组成单元（如图１所示）［１］ ，因此对石墨烯的研究将有助于推 动对碳家族其他材料的深入研究。然而， 在目前已知的众多碳家族成员中，石墨烯是最晚才被发现的［２］ ，因而对于石墨 烯的研究往往会借鉴之前其他碳材料的研究方法和手段。其中，与石墨烯性能最为接近的碳纳米管的研究为石墨烯的 研究提供了很多直接的借鉴［ ３］ 。碳纳米管可以被看作是由石墨烯直接无缝卷曲而成的，根据层数的不同，可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。而根据卷曲向量的不同，单壁碳纳米管又可以表现出金属性 或半导体性两种特性［４］ 。正是由于这种性质，单壁碳纳米管 在纳米电子学领域有着令人瞩目的应用前景 。 图１　二维平面结构的石墨烯是其他碳材料的 基本组成单元 Ｆｉｇ．１　Ｇｒａｐ ｈｅｎｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　０Ｄｆｕｌｌｅｒｅｎｅ，１Ｄｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ａｎｄ　３Ｄｇｒａｐｈｉｔｅ二维的石墨烯本身是半金属性，或者说是零带隙的半导体，同时具有金属和半导体的一些特性。而当石墨烯的尺寸达到跟单壁碳纳米管一样的准一维时（又称为石墨烯纳米带） ，同样也会根据石墨烯带的宽度和边缘结构的不同而表现出金属性或者半导体性。紧束缚计算表明锯齿状边缘的石墨烯带总是呈现出金属性，而扶手椅状边缘的石墨烯带则 · ５１１·从碳纳米管到石墨烯— ——浅谈碳纳米材料的研究进展／陈留群等