石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能全解ppt課件

1、石墨烯的 制備與應用,王永強,目錄,石墨烯的發(fā)現(xiàn) 石墨烯的結(jié)構(gòu) 石墨烯的性能 石墨烯的簡單分類 石墨烯的制備,通向 的電梯,宇宙,石墨烯的發(fā)現(xiàn),曾經(jīng)有人在太空電梯一文中設想： 1）有一天你走進電梯，按下上升按鈕就到了外太 空，是不是很酷?這就是太空電梯，它將使人類的夢想成為現(xiàn)實。 2）目前，將一個重 約2.2千克的東西發(fā)射到近地軌道就需耗資約5. 3萬元人民幣，但是太空電梯卻可以大大降低成本，讓普通人可以在太空中旅行。 3）太空電梯的載人艙能夠在數(shù)千萬米長的電纜上移動，而電纜則靠地球轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力來固定。碳納米管的出現(xiàn)又朝這一夢想的實現(xiàn)前進了一步。科學家愛德華茲已證明利用納米技術(shù)可以做出能夠

2、支撐太空電梯的超強力電纜。 4）科學家研究發(fā) 現(xiàn)，建造一個200噸的電梯是個合理的設想，而且具有商業(yè)價值。一個200噸的太空電 梯 的大小 相當 于一架大型的商務飛機。太空電梯的大小完全取決于人的意愿，不受任何物理層面的限制,人們設想并不是無法實現(xiàn)的在2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈杰姆和克斯特亞諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯,石墨烯的結(jié)構(gòu),石墨烯是由碳六元

3、環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu), 它可以翹曲成零維的富勒烯,卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨, 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料.。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大鍵，電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元,石墨烯的結(jié)構(gòu),如果有五邊形和七邊形存在，則會構(gòu)成石墨烯的缺陷。 少量的五角元胞細胞會使石墨烯翹曲，12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯

4、。石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管,石墨烯性能簡介,光學性能 電學性能 力學性能 熱學性能,光學性能,石墨烯具有優(yōu)異的光學性能。 理論和實驗結(jié)果表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透過率為97.7%。 如圖從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3,電學性能,石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道電子形成一個大鍵，電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導電性。 電子在石墨烯中傳輸時不易發(fā)生散射，遷移率可達200000cm2/(V*s)，約為硅中電子遷移率的140倍，其電導率可達104S/m，是室溫下導電性最佳的材料,電學性能,石墨烯的導電性可通過化學改性的方法進

5、行控制，并可同時獲得各種基于石墨烯的衍生物。 雙層石墨烯在一定條件下還可呈現(xiàn)出絕緣性,力學性能,石墨烯是已知材料中強度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。 其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。 石墨烯的強度極限為42N/m2.,熱學性能,石墨烯的室溫熱導率約為5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石，是室溫下銅的熱導率的10倍多。 石墨烯的理論比表面積可達2630m2/g,石墨烯的簡單分類,單層石墨烯：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。 雙層石墨烯：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA

6、堆垛，AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。 多層石墨烯：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料,石墨烯的制備,1微機械剝離法 2004年,石墨烯的發(fā)現(xiàn)者安德烈蓋姆等用一種極為簡單的方法:微機械剝離法成功地制備并觀測到單層石墨烯。他們首先用光刻膠將高定向熱解石墨轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上,然后用透明膠帶進行反復粘貼將高定向熱解石墨剝離, 隨后將粘有石墨烯片的玻璃襯底放入丙酮溶液中超聲振蕩。再將單晶硅片放入丙酮溶劑中, 單層石墨烯片會由于范德華力或毛細管作用吸附在單晶硅片上, 從而成功地制備了二維的石墨單層。

7、該法工藝簡單, 成本低廉, 但費時費力, 重復性差,難以大規(guī)模制備,2沉積生長法 沉積生長法通過化學氣相沉積在絕緣表面(例如SIC)或金屬表面(例如Ni)生長石墨烯，是制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的重要手段： 有研究者通過對Si的熱解吸附，實現(xiàn)了在以SI終止的單晶6HSIC的(0001)面上外延生長石墨烯膜或通過真空石墨化在單晶SIC(0001)表面外延生長石墨烯，但是由于SIC在高溫下易發(fā)生表面重構(gòu)，導致表面結(jié)構(gòu)復雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯膜； 使用的是一種以鎳為基片的管狀簡易沉積爐 ,通入含碳氣體 ,例如 ,碳氫化合物 ,它在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面 ,形成石墨烯 ,通過輕微的化

8、學刻蝕 ,使石墨烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜,3氧化還原法 該法以石墨粉為原料, 經(jīng)過強氧化劑濃硫酸和高錳酸鉀的氧化,石墨的層間被插入了羥基、環(huán)氧及羧基等含氧基團, 拉大了石墨的層間距,從而得到了石墨氧化物。然后通過超聲作用, 將石墨氧化物剝離得到單層的石墨烯氧化物( GO )。對GO進行還原, 可以將GO平面結(jié)構(gòu)上的含氧基團去除,可使大P鍵共軛體系得到恢復,即可制得高導電性的石墨烯。但該方法簡單,成本低,可以大量的制備石墨烯,4溶劑剝離法 溶劑剝離法是最近兩年才提出的 ,它的原理是將少量的石墨分散于溶劑中 ,形成低濃度的分散液 ,利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力 ,此時溶劑可以插入石墨層間 ,進行層層剝離 ,制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu) ,可以制備高質(zhì)量的石墨烯。劍橋大學 Hernandez 發(fā)現(xiàn)適合剝離石墨的溶劑最佳表面張力應該在4050mJ/ m的平方 ,并且在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的產(chǎn)率最高(大約為8 %) ,電導率為6500S/ m,進而Bar2ron 研究發(fā)現(xiàn)高定向熱裂解石墨、熱膨脹石墨和微晶人造石墨適合用于溶劑剝離法制備石墨烯。溶劑剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯