石墨烯的结构
石墨烯的结构
石墨烯
石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬;作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
目录
简介
石墨烯的结构
石墨烯与其他碳元素的区别
石墨烯特性
制备方法
应用前景
获诺贝尔奖
部分石墨烯研究成果
简介
石墨烯的结构
石墨烯与其他碳元素的区别
石墨烯特性
制备方法
应用前景
获诺贝尔奖
部分石墨烯研究成果
展开
简介
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，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，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"[4];导热系数高达5300 W/m?K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V?s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω?cm，比铜或银更低，为目前世上电阻
率最小的材料[1]。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，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。
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(hon
lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42Å。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。另外，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，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。
石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元:石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。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;另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic
transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。
石墨烯是一种二维晶体，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”
(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片
[1]剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。发展简史。
第一: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;第二:石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中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。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，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。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。另外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，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈?杰姆和克斯特亚?诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。
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。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。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，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的
[2]电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。石墨烯的结构
sp2杂化碳质材料的基本组成单元
石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)
的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。石墨烯与其他碳元素的区别
单层石墨烯及其派生物
在近20年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层(Graphene)才
是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。石墨烯特性
电子运输
在发现石墨烯以前，大多数(如果不是所有的话)物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝
对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导
=2e²/h,6e²/h,10e²/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”。
导电性
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，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。
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”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微
子非常相似。
石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。
机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，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，他们选取了一些直径在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。
研究人员发现，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。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。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。
电子的相互作用
利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯?伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。化学性质
我们至今关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各
种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍:缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。
制备方法
石墨烯的合成方法主要有两种:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分
离法、取向附生法和加热SiC的方法 ; 化学方法是化学还原法与化学解理法。
微机械分离法
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
取向附生法—晶膜生长
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1150 ?下渗入钌，然后冷却，冷却到850?后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表
面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖 80 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方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。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。
加热 SiC法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450?后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持(Free standing)石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。
化学还原法
化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100?回流24 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法
[3]制得厚度为1 nm左右的石墨烯。
化学解理法
化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。
应用前景
在纳电子器件方面的应用
2005年，Geim研究组[3 J与Kim研究组H 发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V?s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。代替硅生产超级计算机
科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有
[2]更优良的透光性。
基因电子测序
由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低
[4][5]成本的基因电子测序技术。
减少噪音
美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能
够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。
其它应用
石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
[6]
获诺贝尔奖
他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳
米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。
海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说:“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。
海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人:一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果;一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，
[1]继续努力工作，继续平常生活。”
部分石墨烯研究成果
IBM展示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%。
该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务，研发高性能无线电频率晶体管，军方对此很感兴趣。目前它尚未可完全用于PC机，因为自然石
墨烯中缺少能隙，石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比，从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。
相比之下，石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用IBM改良的“类金刚石碳”，石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时，它也是目前为止IBM最小的晶体管，选通脉冲宽度从550纳秒降到了
[7]40纳秒，而去年的产品宽度为240纳秒。
2011年成果
2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。
大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上，再配置电极和绝缘层，制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大，富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快，可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积，这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路，为生产高档电子产品创造了条件。
2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。
研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后，进行热处理，使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线，就能从石墨烯上发送出太赫兹光。目前，该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部，使光源强度增加的器件，期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。
2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。
全球最小光学调制器问世可高速传输信号一秒钟内下载一部高清电影指日可待
据美国媒体今晨报道，美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的，研究论文将于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器(调制器是控制数据传输速度的关键)，把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆，而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度将比现在快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，"目前市场上的光学调制器5250美元一个，而我们的石墨烯调制器只需要几美元"。相对于现有调制器几个平方毫米的体积，这种石墨烯调制器还具有体积小的优势，只有25平方微米，且仅有头发丝的四百分之一细，它可以放在电脑主板上的
任何位置。张翔教授表示，新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上，还可用于任何受限于数据传输速度的领域，包括生物信息学以及天气预报等，未来也会广泛应用于工业领域。
低成本石墨烯电池或将实现“一分钟充电”
据了解，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。
目前，作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。
新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产
业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。(科技日报)
首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功
[8] 1月8日，江南石墨烯研究院对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实，显示为国内首创。
江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目，成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜，具有现有智能手机触摸屏的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域
可以识别单指和双指触摸及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转，而这只是石墨烯材料产品之一。
据此前相关报道称，石墨烯的相关产品目前在国外还处于研发和概念机阶段，尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制，表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。
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。
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、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
石墨烯的特殊性能
石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明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200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，
石墨烯结构
关于材料破坏方式 材料破坏是一种材料疲劳后的结果。 人类所知的所有材料形形色色千奇百怪，从各个方面可以分类成各种不同的种类。比如：固体、液体、液晶体；固体、乳浊液、清浊液、液体；金属、非金属；诸如此类的高分子材料，纳米材料，有机材料，无机材料，生物材料，非生物材料 作为材料科学，材料的物理性质按照性质大体分为韧性材料、脆性材料；材料学上，人们用几个特定的物理量来定义显示材料的各项性能指标，如：弹性模量、泊松比、密度、屈服模量、剪切模量、摩擦系数、膨胀系数、热应变、阻尼系数、比热容、热焓等等。然后进行一定的理想假设根据材料的具体特性和结构得到比较符合实际的理想材料模型，比如，双线性随动强化模型、双线性等向强化模型、多线性随动强化模型、多线性等向强化模型；材料结构性质性质模型，比如，杆件、梁、壳、体、管道、弹簧。 在宏观上，材料发生破坏的原因大体上归结为四个破坏准则。在微观上的破坏归结为共价键或者其他的键得到能量断裂从而发生破坏。本篇文章主要从微观入手一直到宏观结束，构想材料的破坏历程顺序。 目前来讲，构成物质的最基本粒子是夸克（如果考虑反物质会存在反夸克，此不赘述）。夸克构成质子、电子、中子。质子、电子、中子构成原子。原子组成单质物质以及分子物质。物质分为晶体、非晶体、液晶体。对于晶体大体分为离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体。晶体的粒子规则整齐地排列。 离子晶体之间存在较强的离子键，离子晶体的硬度比较大、难于压缩；分子晶体存在分子之间作用力（范德华力），一般来说分子量越大范德华力越大。但是分子间的作用力比起化学键弱得多。但是有些氢化物（HF、冰、氨）通过氢键的作用，发生破坏的能量就要消耗的多一些；原子晶体（二氧化硅、金刚石）通过共价键结合生成空间规则的网状结构具有非常大的硬度；金属晶体（除汞以外）中，金属原子好像许多硬球一层一层紧密的堆积着，原子周围有许多的电子围绕。金属离子与自由电子存在较强作用。金属存在不同程度的延展性。 石墨晶体(下图左)是一种层状结构，每层原子是整六边形的碳原子排列而成。层与层之间以范德华力结合。 对于单层石墨晶体就成为石墨烯(上图右)。石墨烯是以三个碳原子SP2杂化而成的正六边形二维结构。剩余一个电子与其他电子形成类似于骈苯的大π键。如此结构造就了石墨烯当前最强的度（111Gpa抗压、0.5tpa的弹性模量）。 对于材料破坏的大体过程大致可分为：键长变化、分子（原子）滑移、共价键重组、断裂四个阶段。不同属性的材料有着不同的过程。比如钢，在受到外拉力作用时，金属晶体内部原子核与电子之间的距离在平行与拉力方向加长，库仑力减小。去掉外力，在库伦力下重新回到原来位置。当某两个原子之间的距离增加到一定距离而其中一个与另外一个的距离逐渐逼近时，原子就会滑落到新的位置达到平衡，即原子滑移。材料不断承受外力载荷下不断滑移，在材料面积较小的部分原子滑移的速度快，从而在滑移过程中原子试图以滑移产生位移来满足外力。有些高分子合成材料(如橡胶)受到外力是的第一反应是发生翘曲。过程如下：
石墨烯结构的分析
石墨烯 石墨烯之所以被广泛应用，是由其自身的内部结构决定的。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。 石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为 1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。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，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了优良导热特性。 超级电池采用单原子厚度的碳层构成，这项技术能够在最短时间内对手机和汽车快速充电，能够很容易制造并整合成为器件，未来有望制造更小的手机。 石墨烯储能和放电过程中不发生电池反应，只是将电子储存和释放，是物理变化。由此，应当称其为电容，而不是电池。目前，石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向： 一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池，能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里；电池重量只有锂离子电池的一半，体积也会大幅缩小，减轻使用该电池汽车的自身重量；电池的使用寿命更长，是传统氢化电池的4倍，锂电池的2倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这些物理参数都符合超级电池的要求。 二是以石墨烯强化现有电池性能。将石墨烯运用到现有电池上，改进提升锂电池、太阳能电池等电池性能，力图达到超级电池的性能。对于那些已投巨资建
石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展
. . .. . . 报告题目：石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息： 二、评分标准 1.格式规、容简明扼要。报告中引用的数据、观点等要注明出处20分 2. 报告结构合理，表述清晰20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、新（查阅5篇以上的文献）20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述（文献）全、新（查阅5篇以上的文献）20分 5. 心得及进一步的研究展望真实，无抄袭与剽窃现象20分 三、教师评语 请根据写作容给定成绩，填入“成绩”部分。 注1：本页由报告题目、书目信息有学生填写，其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规。注3：不符合规试卷需修改规后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳，也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构，属于天然矿
密封线 石。除石墨和金刚石外，碳材料还包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重 要的燃料。碳纤维在复合材料领域有重要的应用。20 世纪80 年代，纳米材料与技术获得 了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年，由60 个碳原 子构成的“足球”分子：C60被三位英美科学家发现。随后，C70、C86等大分子相继出现， 为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构，它们的出现开启了 富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学奖。1991 年，由石墨层片卷曲 而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。如今，碳纳米管已经成为一维纳米材料的典 型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年，一位新成员：石墨 烯，出现在碳材料的“家谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）于2010 年获诺贝尔物理学 奖。 关键词：碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 2 石墨烯的制备 2.1 物理法制备石墨烯 物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得, 操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。 2.1.1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[1]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，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。 2.1.2取向附生法—晶膜生长
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
石墨烯结构
石墨烯结构 石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬； 作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片 状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成 六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的 二维材料[1]。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，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，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收%的光"[4]；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[1]。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。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为Å。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
石墨烯的电子结构及其应用,缺陷对石墨烯电子结构的影响
石墨烯的电子结构及其应用,缺陷对石墨烯电子结构的影响 石墨烯是由碳原子构成的二维单层片状结构的新材料，多年来一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，２００４年，英国曼彻斯特大学安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫成功地在实验室从石墨中分离出石墨烯，确认石墨烯可以单独存在。从此，石墨烯制备和应用研究成为材料科学的一大研究热点。石墨烯具有独特的电子性质，在器件应用上展现出巨大的应用潜力，被认为是最有可能取代硅的新型电子材料。与碳纳米管不同，石墨烯存在完美的杂化结构，大的共轭体系使其电子输运能力很强，载流子输运实验显示在室温下石墨烯具有非同寻常的高电子迁移率，大于１５０００ｃｍ２Ｖ－１ｓ－１。电导率实验的对称性说明空穴和电子的迁移率几乎相同，并且在１０～１００Ｋ温度范围内，迁移率不受温度影响，这说明石墨烯中电子主要的散射机理是缺陷散射。硅基的微计算机处理器在室温下每秒钟只能执行一定数量的操作，而电子在石墨烯中穿行没有任何阻力，产生的热量也很少，而且石墨烯本身具有较高的热导率，因此石墨烯电子产品比硅具有更高的运行速率。由于制备石墨烯的原料是价格低廉的石墨，用石墨烯替代硅制造电子产品的应用前景广阔 以石墨烯为基础的等离子震荡技术可以让新颖的光学设备响应不同的频率波段，从太赫兹到可见光，响应速率快，激发电压低，能量损耗小，体积尺寸小。利用太赫兹光谱学可以研究外延生长的石墨烯层与石墨烯器件中光生电子和空穴的超快弛豫和复合等动态过程。在半导体芯片上制作太赫兹的发射器和探测器是一项很有吸引力而且必要的技术，这样可以减小太赫兹系统的尺寸并且拓宽太赫兹的应用范围。 石墨烯表现出的特殊宏观性能源于其独特的电子结构。二维石墨烯中的电子能以极高速运动，行为类似无静止质量的相对论性粒子（狄拉克粒子Ｄｉｒａｃｐａｒ－ｔｉｃｌｅ）。石墨烯的出现使得相对论量子力学不再仅局限于宇宙学或高能物理领域，而是进入了日常生活状态下的实验室中。石墨烯中的电子各种性质引起众多科学家的兴趣，如室温下的量子霍尔效应、极性电子场载流子运输、可调带隙、高伸缩性等。Ｏｈｃａ等通过调整每一层石墨烯上载流子的浓度来改变库仑势，进而控制价带与导带间带隙宽度，这种带隙的可
壳聚糖_氧化石墨烯复合材料结构和性能研究_陈建光
第20卷第1期重庆电子工程职业学院学报Vol．20No．12011年1月Journal of Chongqing College of Electronic Engineering Jan.2011 石墨烯不仅价格低廉，而且具有片层结构和良好的热稳定性和导电性。用石墨烯来改善聚合物的性能具有较大的潜力[1-3]。Ruoff 等用化学方法先后合成出石墨烯/聚合物导电纳米复合材料[4]和无支撑的氧化石墨烯纸[5],掀起了氧化石墨烯应用研究的热潮。与石墨烯相比，氧化石墨烯（GO ）不仅含有羟基、环氧基、羰基、羧基等多种官能团，同时还能被小分子或者聚合物插层，或剥离[6,7]，能有效改善复合物材料的性能。Wu 等[8]将氧化石墨烯片层加入聚合物提高了导电性能，Kai [9]等通过填充氧化石墨烯改善聚合物的热稳定性和力学性能。 本研究通过氧化天然石墨粉制备GO [10]，以流延法成功制得壳聚糖（CS ）基复合材料（CS/GO-n ）。通过X-衍射、力学性能测试和吸湿性能测试，探讨GO 的含量对CS 基复合材料的结构和性能的影响。 1实验部分1.1 原料与仪器 石墨粉购于上海华谊集团华原化工有限公司。过硫 酸钾（K2S2O8）、五氧化二磷（P2O5）和双氧水（H2O2）由成都科龙化学试剂厂提供；硫酸，盐酸购于重庆川东化学试剂厂；壳聚糖（平均分子量大于30万，脱乙酰度大于 90%），购自中国南通新程生物工业有限公司；36%乙酸 （分析纯），购自重庆茂业化工公司；蒸馏水。 集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S ，郑州）；高功率数控超声波清洗器（KQ-400KDV ，昆山）；旋片真空泵（2XZ-4，浙江）；多管架自动平衡离心机（TDZ5-WS ，长沙）；电热鼓风干燥箱（CS101-2A ，重庆）；真空干燥箱（DZF-6020，上海）。XD-3X 射线粉末衍射仪（北京普析通用仪器责任有限公司）；Sansi6500型微电子万能力学实验机（深圳）， 1.2氧化石墨烯（GO ）的制备 采用Hummers 法从天然的石墨粉氧化制备GO[10]。 1.3CS/GO-n 复合材料的制备 流延法制备CS/GO-n 复合材料：壳聚糖溶于2%（体积比）的醋酸溶液制得2wt%的溶液，将一定量的GO 粉末（0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.5wt%，相对于壳聚糖基体）溶解在70mL 的水中，超声分散1.5h 之后，逐滴滴加到壳聚糖醋酸溶液中，60℃下恒温搅拌5h ，减压脱泡后在玻璃板上流延成膜，50℃下干燥12小时，并将其编号为 CS/GO-n （n 代表GO 相对于CS 的质量百分含量），常温 下置于相对湿度为43%的干燥器中。样品编号及其含量列于表1中。 表1 CS/GO-n 复合材料编号 2结果与讨论 2.1X-衍射分析 图1为GO 及CS/GO-n 复合材料的X 衍射衍射图谱 （XRD ）图。在GO 的谱图中，2θ=11.1○处出现了一强的衍射峰，层间距为0.8nm ，与文献报道值相一致[11]。纯壳聚糖膜（CS/GO-0）在2θ=11.4°、18.3°出现两个强衍射峰，在 2θ=8.3°、16.1°、22.9°出现三个较弱的衍射峰，同文献报道 一致[12]。CS/GO-n 复合材料的XRD 图谱与纯壳聚糖的衍射图谱相似，且在复合材料中没有出现GO 的特征衍射峰。可能是由于低的添加量，同时也充分说明GO 均匀分散在基体中，与壳聚糖基体之间形成较强的相互作用有效地限制了石墨烯的聚集。再者，GO 的添加量对复合材料XRD 图谱没有多大影响。 收稿日期：2010-12-11 作者简介：陈建光（1981—），男，山西保德人，广东省汕头市公安消防支队龙湖大队工作，主要从事防火灭火材料研究。 壳聚糖/氧化石墨烯复合材料结构和性能研究 陈建光 （广东省汕头市公安消防支队龙湖大队，广东汕头515041） 摘 要：流延法制备了壳聚糖/氧化石墨烯复合材料。X-衍射表明壳聚糖和氧化石墨烯之间形成强烈的相互作 用；力学性能测试结果表明，当氧化石墨烯含量仅为0.6wt%时，壳聚糖基复合材料的拉伸强度提高到64.4MPa ，断裂伸长率提高到38.8%，与壳聚糖基体相比，分别提高了101%和61.7%。 关键词：壳聚糖；氧化石墨烯；性能中图分类号：O433.1 文献标识码：A 文章编号：1674－5787（2011）01－0153－02 Code CS/GO-0CS/GO-1CS/GO-2CS/GO-3CS/GO-4CS/GO-5CS/GO-6CS/GO (wt%) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5
石墨烯纳米环的电子结构和持续电流
Applied Physics 应用物理, 2017, 7(3), 71-76 Published Online March 2017 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/eb9297219.html,/journal/app https://https://www.wendangku.net/doc/eb9297219.html,/10.12677/app.2017.73010 文章引用: 缪晶晶，张潇元，史友进，张海洋，徐宁. 石墨烯纳米环的电子结构和持续电流[J]. 应用物理, 2017, 7(3): 71-76. Electronic Structure and Persistent Current in Graphene Rings Jingjing Miu, Xiaoyuan Zhang, Youjing Shi, Haiyang Zhang, Ning Xu * School of Mathematics, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Mar. 13th , 2017; accepted: Mar. 28th , 2017; published: Mar. 31st , 2017 Abstract The electronic structure and persistent current of graphene rings have been studied using the tight-binding model. Our results show that in the presence of a perpendicular magnetic field, energy spectrum can be grouped into bands with six levels per band owing to inter-valley scatter- ing. According to degeneracy of energy level at the Fermi energy, the graphene rings are divided into two groups, metallic and semiconducting rings. In metallic rings, the persistent current within a flux period changes linearly with magnetic flux ?, while it is a sinusoidal periodical function of ? in semiconducting rings. Both metallic and semiconducting rings exhibit diamagnetic response, because the electrons driven by magnetic flux flow anticlockwise along the rings. Keywords Graphene, Tight-Binding Model, Electronic Structure, Persistent Current 石墨烯纳米环的电子结构和持续电流 缪晶晶，张潇元，史友进，张海洋，徐 宁* 盐城工学院，数理学院，江苏 盐城 收稿日期：2017年3月13日；录用日期：2017年3月28日；发布日期：2017年3月31日 摘 要 基于紧束缚理论，研究了石墨烯纳米环的电子结构和磁响应特性。计算结果表明当存在垂直磁场时，由于谷间散射,能谱中每个能带由六条能级组成。根据环的电子结构，石墨烯纳米环可以分为金属环和半导*通讯作者。
石墨烯基础及性能应用
Graphene Fundamentals and Performance Applications 石墨烯基础及性能应用 学校西安建筑科技大学 论文名称石墨烯基础及性能应用 班级材料科学1302 学号130502112 姓名王号强 指导教师李延军 2016年4月28日
目录 1.碳族材料概述 1.1碳的同素异形体—石墨和金刚石1.2碳的同素异形体—富勒烯 1.3碳的同素异形体—碳纳米管 1.4碳的同素异形体—石墨烯 2.石墨烯及类似物的原子结构 2.1石墨烯及石墨烯材料的定义 2.2石墨烯的原子结构 2.3石墨烯与碳纳米管之间的关系2.4其它层状二维晶体 2.4.1氮化硼纳米片层 2.4.2二氧化钛纳米片 2.5纳米结构的石墨烯 3.石墨烯的性质及制备方法 3.1石墨烯的性质 3.2石墨烯的制备方法 4.石墨烯的表征 5.石墨烯的应用
1.碳族元素概述 1.1碳的同素异形体—石墨和金刚石 20世纪80年代以前，人们普遍认为碳有两种同素异形结构：石墨和金刚石。金刚石是闪闪发光且非常坚硬的晶体结构，有四个碳原子分别以sp3杂化（键角109度28分）形式相结合，形成三维的正四面体结构。石墨的结构完全不同于金刚石，碳原子采取sp2杂化（键角120度）形成相应的六方晶体结构。这两种材料的性质差异十分显著，例如，石墨中高度离域的π键网络结构表明，石墨比金刚石具有更高的导电率，而金刚石sp3碳原子有很强的共价键连锁网状结构，具有很高的硬度。加之，由于金刚石很宽的带隙（5.5ev），因而金刚石是一种绝缘体，而石墨是一种导体（带隙约为0.25ev）。 1.2碳的同素异形体—富勒烯 1985年，Kroto等人发现了富勒烯，在其1812种结构中，最稳定的是有12个五边形和20个六边形组成的32面体的笼状结构。一个C60分子的平均外径为1nm。由于富勒烯具有高度对称性，显示出可以在各种表面上滚动的特性，通过轮状富勒烯的转动，设计和合成的纳米车分子可直接在可控的表面上跑动。 1.3碳的同素异形体—碳纳米管 1991年，日本的电镜专家S.lijima在用石墨电弧发制备C60的过程中意外发现碳纳米管，该材料为中空结构管状物，由2—50层石墨层片卷曲而成，各层之间距离0.343nm，两端由半球形的端帽封闭。碳纳米管最有前景的应用是在场发射设备中作为电子发射器。 1.4碳的同素异形体—石墨烯 2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim和konstantin Novoselov发现了石墨烯（graphene）。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离除较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二，不断重复，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成的新型的二维原子晶体—石墨烯。石墨烯的垩发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 2.石墨烯及类似物的原子结构 2.1石墨烯及石墨烯材料的定义 石墨烯仅是指排列在六方晶格中的准二维孤立碳原子层。单层石墨烯（single-layer graphene，SLG)和双层石墨烯（bilayer graphene，BLG）才是零带隙的半导体，它们各自只有一种电子和空穴。对于所谓的少层石墨烯（few-layer graphene，FLG，3-10层）而言，其导带和价带发生重叠，出现电荷载流子（charge carriers）。而更厚的石墨烯结构则被认为是石墨薄膜。 当石墨的层数少于10层时，就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构，因此，将10层以下的石墨材料成为石墨烯材料。 2.2石墨烯的原子结构 单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二位晶体结构，其中碳原子以六元环形状周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过*键与邻近三个原子相连，S、Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键结合，组成SP2（120度键角）杂化结构，由于饱和烃的键角为109度28分，故120度的键角张力较小，所以赋予了石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道在与平面垂直的垩方向形成π轨道，此π电子可在石墨烯晶体平面内自由移动，而使石墨烯有良好的导电
石墨烯的结构性能
石墨烯的结构性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组 成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似 ( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V·s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明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200000cm ／(V·s)，其相应的电