石墨烯双曲超材料光学特性的研究进展
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石墨烯双曲超材料光学特性的研究进展
作者：谭朝幻王昊月孟方俊王胜明许吉
来源：《科技资讯》2017年第20期
摘要：双曲超材料因其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景，其中金属材料构成的
双曲超材料是近年来的一个研究热点，而用石墨烯代替金属构成的石墨烯-电介质超材料可以通过对入射电磁波频率和化学势的调节来实现双曲色散特性，其相比于金属-电介质双曲超材料和金属纳米线双曲超材料，具有更小的传输损耗、更小的结构体积并且更易于光电集成。该文对石墨烯-电介质双曲超材料在可见光、红外以及太赫兹等几个波段的光学特性学术工作展开调研，首先介绍石墨烯和双曲超材料的相关基础知识，进而针对石墨烯双曲超材料的介电常数、磁导率和折射率几个方面的调控机制来实现对光子行为的调控目的进行阐述，并介绍了相关应用。
关键词：石墨烯双曲超材料光学特性
中图分类号：TQ127.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0001-04
1 双曲超材料及石墨烯简介
超材料是一种人工微结构材料，是由亚波长尺度的结构单元构建的一种特殊结构，通过对结构单元的材料和厚度的调节来达到控制电磁波传输的目的，从而可以实现自然界中的材料所不具有的特性。具有双曲色散关系的双曲超材料（Hyperbolic Metamaterials， HMMs）是超材料中的一种，也称为不确定介电媒质（Indefinite permittivity media，IPMs），该媒质的的电磁特性可以通过介电常数张量及磁导率张量来进行描述。由于双曲超材料所具有的独特的双曲色散关系，使其表现出一系列新的光学现象，在隐身、光波导、成像、超透镜、聚焦、热传输、和负折射等方面具有潜在的实用价值。
1.1 双曲超材料
双曲超材料是一种具有双曲色散关系的强各向异性超材料，它的光学性质可以用归一化的等效介电常数张量和等效磁导率张量来表示，沿着光轴方向的张量分量值和垂直于光轴方向的张量分量值的正负号相反，即或；归一化的等效介电常数张量和等效磁导率张量的形式为：
式（1）中的和分别代表平行于光轴的分量和垂直于光轴的分量。当磁导率μ=1时，介电常数是各向异性的，此时当入射电磁波为TM偏振态时，双曲超材料如图1所示。
当入射光频率小于金属的等离子体频率时，金属中的自由电子的极化响应是与电场方向相反的，所以金属介电常数的实部为负值。只需要使其一个或两个主轴方向的介电常数张量为负值，便可实现材料的双曲色散关系。目前双曲超材料的构成方式主要有两种：一种是由金属-电介质交替排列的多层膜结构，通过调整金属的种类和占空比来实现双曲色散关系；另一种是
石墨烯基本特性
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
石墨烯论文正稿
石墨烯研究进展 雷洪 （中国矿业大学化工学院江苏徐州 221116） 摘要：石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由于碳原子组成的特殊结构使得石墨烯拥有一系类特殊性能，包括特殊的导热性质，电学性质，力学性质等等。特殊的性质使得石墨烯有在很多领域发展的潜力，因此引起了科学界的广泛关注，本文介绍了石墨烯的一些制备方法，性质和应用领域。 关键词：石墨烯制备方法特性应用领域 Advances in graphene research LEI hong (China University of Mining and technology，SCET Xuzhou Jiangsu 221116) Abstract：Graphene is a new material consisting of a single layer of carbon atoms sheet structure，Because of the special structure of carbon atoms makes graphene has a series of special class performance，Including special thermal properties，electrical properties and mechanical properties, etc. Special properties make graphene has the potential in many areas of development，so，it attracted wide attention in the scientific community. This article describes some of graphene preparation methods properties and applications. Keywords：graphene preparation methods properties application areas 0引言 自2004年Novoselov，K．S．等使用微机械剥离法从高定向热解石墨上剥离观测到石墨烯（Graphene）以来，碳元素同素异形体又增加了新的一员.随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学51岁的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁.诺沃肖洛夫之后，“石墨烯”这一专业名词突然进入人们的眼帘，其独特的性能和优良的性质引起了研究人员的极大关注，掀起了一波石墨烯的研究高潮。碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特
氧化石墨烯薄膜的光电化学性质
2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.wendangku.net/doc/a57332452.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试
2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏
多孔石墨烯材料的研究进展
多孔石墨烯材料的研究进展 摘要：多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点，具有独特的二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求，且石墨烯片层容易堆叠和团聚，制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质，拓展并提升石墨烯的性能，对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。 关键词：石墨烯；杂化；石墨烯衍生物 引言 如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书，碳元素必将会跻身关键词之列：从碳基生命到无机碳素，从史前壁画到太空天梯，从钻木取火到蒸汽革命，再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶，碳的身影无处不在，不可替代。作为世界上最为普遍和奇妙的元素，碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。碳原子含有四个价电子，往往以sp，sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。以碳单质为例，碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼，不易单独稳定存在；sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高，化学修饰较困难；sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系，此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质，为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。 1石墨烯及石墨烯基材料 石墨烯即单层或少层石墨薄片，是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。2004年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯，两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。然而当我们认真地追根溯源时，会发现石墨烯并非一颗横空出世的新星，围绕石墨烯的讨论已经在科学界
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图
2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。
石墨烯材料研究进展
石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要：石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词：石墨烯制备应用进展 石墨烯是碳 原子紧密堆 积成单层二 维蜂窝状晶 格结构的一 种碳质新材 料，是构筑 零维富勒 烯、一维碳 纳米管、三 维体相石墨等sp2杂化碳（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，
利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨 烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研 究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径；电子在石墨 烯中传输的阻力很 小，在亚微米距离 移动时没有散射，具 有很好的电子传输 性质；石墨烯韧性 好，它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N ［2］，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性，具体如图 2 ［3］所示，日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
最新石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少
石墨烯及其材料综述
关于石墨烯和石墨烯复合材料的综述 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。自从2004年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的建设性创意，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。 它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅，石墨烯的结构，是由碳原子六角结构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。它可以包裹形成0维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管，同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。 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，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。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。 大量制备尺寸、厚度可控的石墨烯材料对石墨烯基材料的应用具有重要的意义。制备石墨烯可以归结为两个基本的思路：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。基于上述思想，化学剥离法、SiC 表面石墨化法和金属表面外延法等一些新的方法相继被报道。本人通过大量的归纳总结，共总结出以下七种方法。 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(Highly
光学材料特性
光学材料特性表：
常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA 密度(kg/m3)：(1.17～1.20)×10E3 nD ν：1.49 57.2～57.8 透过率(%)：90～92 吸水率(%)：0.3～0.4 玻璃化温度：10E5 熔点（或粘流温度）：160～200 马丁耐热：68 热变形温度：74～109(4.6 ×10Pa) 68～99(18.5×10Pa) 线膨胀系数：(5～9)×10E-5 计算收缩率(%)：1.5～1.8 比热J/kgK：1465 导热系数W/m K：0.167～0.251 燃烧性m/min：慢 耐酸性及对盐溶液的稳定性：出强氧化酸外，对弱碱较稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物 密度(kg/m3)：(1.12～1.16)×10E3 nD ν：1.533 42.4 透过率(%)：90 吸水率(%)：0.2 玻璃化温度： 熔点（或粘流温度）： 马丁耐热：<60 热变形温度：85～99 (18.5×105Pa) 线膨胀系数：(6～8)×10E-5 计算收缩率(%)： 比热J/kgK： 导热系数W/m K：0.125～0.167 燃烧性m/min：慢
耐酸性及对盐溶液的稳定性：除强氧化酸外，对酸盐水均稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀，对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响 日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-聚碳酸酯PC 密度(kg/m3)：1.2 ×10E3 nD ν：1.586(25) 29.9 透过率(%)：80～90 吸水率(%)：23CRH50% 0.15 水中0.35 玻璃化温度：149 熔点（或粘流温度）：225～250(267) 马丁耐热：116～129 热变形温度：132～141(4.6×105Pa) 132138(18.5×105Pa) 线膨胀系数：6×10-5 计算收缩率(%)：0.5～0.7 比热J/kgK：1256 导热系数W/m K：0.193 燃烧性m/min：自熄 耐酸性及对盐溶液的稳定性：强氧化剂有破坏作用，在高于60水中水解，对稀酸，盐，水稳定 耐碱性：强碱溶液，氨和胺类能腐蚀和分解，弱碱影响较轻 耐油性：对动物油和多数烃油及其酯类稳定 耐有机溶剂性：溶于氯化烃和部分酮，酯及芳香烃中，不溶于脂肪族，碳氢化合物，醚和醇类 日光及耐气候性：日光照射微脆化 常用光学塑料-烯丙基二甘碳酸酯CR39 密度(kg/m3)：25 1.32×10E3 nD ν：1.498 53.6～57.8 透过率(%)：92 吸水率(%)：0.2 24h 25 玻璃化温度：
石墨烯：引领未来的新材料
石墨烯：引领未来的新材料-建筑论文 石墨烯：引领未来的新材料 文/ 梦莎 欧盟委员会曾宣布将石墨烯加入“未来新兴旗舰技术项目”，将在未来10 年投入10 亿欧元。石墨烯已在国内外资本市场抛起轩然大波。有专家预测石墨烯作为革命性的新材料，未来将撬动至少千亿级的产业链。 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是目前世上最纤薄、电阻率最小却也是最坚硬的纳米材料，是一种优秀的化学稳定剂，拥有高能量密度、高能效、阻燃效应。其厚度不超过单个碳原子，从任何方面讲都可以视为是二维结构。 纯石墨烯是透明的，这一特性可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于其二维特性，石墨烯拥有称为“分离电荷”的特性。这一特性对开发下一代电脑至为重要。它使量子电路和阴离子电路方面的发展成为可能。 随着石墨烯价值不断攀升，众多有前瞻性的企业加入到研发石墨烯的大潮中。济南墨希新材料科技有限公司就是其中的佼佼者。 济南墨希新材料科技有限公司是中国与西班牙的合资企业，注册资金1500 万元，公司致力于石墨烯产品的研发、实际应用与工业化生产，推动石墨烯产业的发展。济南墨希公司入股Graphenano S.L. 公司研发中心，共享其超强的科研实力与高水平的生产技术，在石墨烯应用的众多领域深入的研发，使科技成果转化产品。济南墨希公司已经在涂料、电缆、树脂和体育运动产品四大领域取得重大突破。
目前济南墨希与西班牙研发中心共同研发出全球首例石墨烯矿物涂料——Graphenstone 格芬石墨烯矿物涂料，它是在千年传统制作工艺的基础上，将西班牙独有天然矿物材料与最新纳米材料石墨烯结合，生产出的最新一代高端纳米涂料。与传统涂料相比，除具有传统涂料的优越特性外，更具备无机物特性，涂膜与基质相同，具有安全环保，防水透气、耐碱、耐污防火、耐候性佳，不褪色，抗菌防霉，不会造成二次污染等特性。 格芬石墨烯矿物涂料中添加的石墨烯纳米纤维会在涂料中形成纳米网状结构，赋予其天然成分所不具备的坚实性和牢固的骨架，涂料的附着力更加牢固，更具有超耐久性，使得涂料耐擦洗，抗裂纹；同时对损坏砂浆的大气侵蚀因素形成一道不可逾越的屏障，在极端条件下，依然可以发挥其优良的性能，不会产生龟裂；由于石墨烯为优良热导体，散射99% 红外线和85% 的紫外线，可以达到节能降耗、保温隔热的功能；因其独特的配方和纳米技术，还能减少声传播，起到降低噪音的效果，是古建筑修复、医院、酒店、学校、高档建筑、别墅等场所的最佳选择。 格芬石墨烯矿物涂料（内、外墙涂料，导电涂料）已经引进中国市场，石墨烯防腐涂料也进入了最后检测阶段，预计7 月份量产。 济南墨希公司常务副总高飞透露，在复合材料开发领域，石墨烯纳米纤维具备优异的机械性能和电导、热导特性。拥有石墨烯纳米纤维在塑料、橡胶等聚合物基体中均匀分散技术的济南墨希，使得石墨烯在复合材料方面的应用研究取得重大突破。比如该公司批量生产的添加石墨烯纳米纤维的橡胶防暴子弹，与传统防暴子弹相比，大大降低了热膨胀系数，同时有效提高其速度与精准度。 济南墨希还与西班牙CATLIKE 公司合作，生产新型石墨烯头盔。添加石
石墨烯双曲超材料光学特性的研究进展
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/a57332452.html, 石墨烯双曲超材料光学特性的研究进展 作者：谭朝幻王昊月孟方俊王胜明许吉 来源：《科技资讯》2017年第20期 摘要：双曲超材料因其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景，其中金属材料构成的 双曲超材料是近年来的一个研究热点，而用石墨烯代替金属构成的石墨烯-电介质超材料可以通过对入射电磁波频率和化学势的调节来实现双曲色散特性，其相比于金属-电介质双曲超材料和金属纳米线双曲超材料，具有更小的传输损耗、更小的结构体积并且更易于光电集成。该文对石墨烯-电介质双曲超材料在可见光、红外以及太赫兹等几个波段的光学特性学术工作展开调研，首先介绍石墨烯和双曲超材料的相关基础知识，进而针对石墨烯双曲超材料的介电常数、磁导率和折射率几个方面的调控机制来实现对光子行为的调控目的进行阐述，并介绍了相关应用。 关键词：石墨烯双曲超材料光学特性 中图分类号：TQ127.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0001-04 1 双曲超材料及石墨烯简介 超材料是一种人工微结构材料，是由亚波长尺度的结构单元构建的一种特殊结构，通过对结构单元的材料和厚度的调节来达到控制电磁波传输的目的，从而可以实现自然界中的材料所不具有的特性。具有双曲色散关系的双曲超材料（Hyperbolic Metamaterials， HMMs）是超材料中的一种，也称为不确定介电媒质（Indefinite permittivity media，IPMs），该媒质的的电磁特性可以通过介电常数张量及磁导率张量来进行描述。由于双曲超材料所具有的独特的双曲色散关系，使其表现出一系列新的光学现象，在隐身、光波导、成像、超透镜、聚焦、热传输、和负折射等方面具有潜在的实用价值。 1.1 双曲超材料 双曲超材料是一种具有双曲色散关系的强各向异性超材料，它的光学性质可以用归一化的等效介电常数张量和等效磁导率张量来表示，沿着光轴方向的张量分量值和垂直于光轴方向的张量分量值的正负号相反，即或；归一化的等效介电常数张量和等效磁导率张量的形式为： 式（1）中的和分别代表平行于光轴的分量和垂直于光轴的分量。当磁导率μ=1时，介电常数是各向异性的，此时当入射电磁波为TM偏振态时，双曲超材料如图1所示。 当入射光频率小于金属的等离子体频率时，金属中的自由电子的极化响应是与电场方向相反的，所以金属介电常数的实部为负值。只需要使其一个或两个主轴方向的介电常数张量为负值，便可实现材料的双曲色散关系。目前双曲超材料的构成方式主要有两种：一种是由金属-电介质交替排列的多层膜结构，通过调整金属的种类和占空比来实现双曲色散关系；另一种是
与石墨烯相关的特征
1 拓扑绝缘体 自然界的材料根据其电学输运性质，可分为导体，半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面（如图a所示），半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中（如图b所示）。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态，这些无能隙的边缘激发处在禁带之中，并且连接价带顶和导带底（如图c，d所示）。从这个意义上讲，拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论，费米能落在晶体材料的带隙中时，材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体，存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体，当考虑存在边界的拓扑绝缘体时，将出现贯穿整个能隙的边界态，这些特殊的边界态和体系的拓扑性质（由体系的拓扑数决定）严格对应，因而只要不改变体系的拓扑性质，这些边界态就不会被破坏。 拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙，但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似，它的费米能级位于导带和价带之间，而在其表面存在一些特殊量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂志与无序的影响。 从广义上讲，可分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系；另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。 2半金属 semimetal halfmetal 半金属：介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看，金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的，电子能自由运动，有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带（又称价带），价带与导带之间的禁带宽度较大。
石墨烯材料简介
石墨烯材料简介 在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。 关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28′。得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。因此金刚石是自然界中坚硬的材料。而当碳原子表现为sp2杂化时，碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合；第四个价电子成为共有化电子：未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系，柔软的石墨和某些烷烃中的碳原子即以此形式存在。
基于石墨烯的超材料电磁诱导透明现象的调控研究
目录上海师范大学 目录 摘要.........................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................II 目录......................................................................................................................IV 第一章绪论 (1) 1.1超材料的简介 (1) 1.1.1金属超材料 (1) 1.1.2表面等离激元材料 (4) 1.2金属超材料电磁诱导透明的研究进展综述 (9) 1.3电磁透明透明所面临的问题以及解决方案 (13) 1.4本论文主要研究思路和内容 (14) 第二章超材料电磁诱导透明的人工调控研究 (17) 2.1引言 (17) 2.2基于石墨烯的超材料电磁诱导透明研究 (18) 2.2.1石墨烯对金属超材料EIT现象的调控机制研究 (18) 2.2.2石墨烯与金属超材料的耦合机制研究 (21) 2.2.3金属超材料EIT透明窗口的设计 (25) 2.2.4石墨烯对金属超材料透明窗口的调节及结果分析 (29) 2.2.5石墨烯对金属超材料EIT的相位与群速度的调节与分析 (32) 2.2.6理论分析及讨论 (34) 第三章总结与展望 (42) 3.1总结 (42) 3.2展望 (42) 参考文献 (43) 致谢 (47) 攻读硕士期间的研究成果 (48) 论文独创性声明 (49) 论文使用授权声明 (49) 万方数据
石墨烯在光电子器件中的应用
石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在
基于石墨烯吸波材料的研究进展
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(3), 222-234 Published Online March 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/a57332452.html,/journal/ms https://https://www.wendangku.net/doc/a57332452.html,/10.12677/ms.2018.83024 Research Progress of Microwave Absorbing Materials Based on Graphene Xingjun Lv, Yingrui Wu, Hang Li, Wei Li School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning Received: Mar. 2nd, 2018; accepted: Mar. 21st, 2018; published: Mar. 28th, 2018 Abstract Graphene, as a new type carbon material, due to its excellent physical and chemical properties, has become a research focus. In this paper, the electromagnetic wave absorbing properties and mechanism of graphene composites are reviewed. The development of graphene based composite absorbing materials is expected. Keywords Graphene, Absorbing Material, Composite 基于石墨烯吸波材料的研究进展 吕兴军，武应瑞，李航，李威 大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 收稿日期：2018年3月2日；录用日期：2018年3月21日；发布日期：2018年3月28日 摘要 石墨烯作为一种新型的碳材料，由于其优良的物理化学性能成为研究的热点。本文综述了石墨烯复合材料的电磁波吸收性能和机理等，并对石墨烯基复合吸波材料的发展做了展望。 关键词 石墨烯，吸波材料，复合材料
我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景
我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景 中国粉体技术网 2015-09-21 11:55:24 阅读(620) 评论(0) 声明：本文由入驻搜狐媒体平台的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。举报 导读：手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯这种二维碳材料引起l人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢？ 手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。2004年
英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖以来，石墨烯这种二维碳材料开始引起人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢？ “重庆造“石墨烯安全手机获2万套订单 继今年3月全球首批量产石墨烯手机在重庆市问世后，“重庆造”石墨烯手机又有新产品。重庆墨希科技有限公司（以下简称重庆墨希科技）与重庆华森心时代实业公司（以下简称华森心时代）日前签订《石墨烯商务安全手机采购协议》，根据协议，华森心时代计划向重庆墨希科技采购价值3800万元的2万套石墨烯商务安全手机。 根据相关公告显示，这批石墨烯手机是符合国家保密局等保四级标准的硬件加密安全手机。其机型名为“LT521”，是一款5.5寸全高清屏的五模4G手机，采用了石墨烯触控屏、石墨烯导热膜及石墨烯电池，采购单价为1900元/套，配置方面与目前市场上主流的安卓智能手机差不多。据了解，华森心时代采购的这批手机将主要面向金融业、政府部门和商务高端人士销售。 今年3月，重庆墨希科技发布全球首批量产石墨烯手机时表示，由于采用石墨烯触摸屏、石墨烯电池和石墨烯导热