石墨烯學(xué)習(xí)心得（三）

1、石墨烯學(xué)習(xí)心得 石墨烯調(diào)研報(bào)告 2021年3月4日 程畢康 1.石墨烯 石墨烯是一種可以單獨(dú)存在的單原子層二維碳材料。石墨烯結(jié)構(gòu)是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維的富勒烯（fullerene），卷成一維的碳納米管（carbonnano-tube，cnt）或者堆垛成三維的石墨（graphite），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(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是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(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大鍵，電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)

2、電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。石墨烯可以分為單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯。 2.石墨烯性能 石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過了電子在其他導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。石墨烯具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料的導(dǎo)電性。 另外石墨烯透光率極高，在97%以上，只吸收2.3%的可見光。石墨烯實(shí)際上是一種透明、良好的導(dǎo)體。 石墨烯每個(gè)碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子行程三個(gè)c-c鍵，這些c-c鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的理論比表面積高達(dá)26.600m2/g，從而使石墨烯具有突出的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

3、石墨烯的化學(xué)性質(zhì)和石墨類似。碳材料具有很強(qiáng)的吸附性，石墨烯也能夠吸附和脫附各種原子和分子。 石墨烯是寬帶隙半導(dǎo)體，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)。 3.石墨烯的應(yīng)用 由于石墨烯具有以上優(yōu)異的性能使得石墨烯的是21世紀(jì)前景廣闊最廣闊的材料。目前石墨烯最主要的應(yīng)用有：材料科學(xué)、電子科學(xué)、催化劑載體、生物醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域。 納電子器件 常溫下石墨烯具有10倍于硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小。表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管成為可能。另外，石墨烯減小到納

4、米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。 利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。新型石墨烯材料將不依賴于鉑或者其他貴金屬，可有效降低成本和對(duì)環(huán)境的影響。 美國俄亥俄州nanotek儀器公司實(shí)驗(yàn)人員利用鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間大量快速穿梭的特性開發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過去的數(shù)小時(shí)縮短到不到一分鐘。 代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī) 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號(hào)中，它被要求

5、使用越來越高的頻率，然而工作頻率越高，熱量也就越高，于是高頻的提升受到很大限制。石墨烯的出現(xiàn)，使高頻提升的發(fā)展前景變得無限廣闊。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。光子傳感器 石墨烯還能夠以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在這個(gè)角色還是由硅擔(dān)當(dāng)，石墨烯的出現(xiàn)使硅的時(shí)代就要結(jié)束。ibm的研究小組已經(jīng)披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來人們期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏。用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)的透光性。 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物

6、檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、dna和蛋白質(zhì)檢測(cè)。如美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成dna測(cè)序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。 能源存儲(chǔ) 材料吸附氫氣量和其比表面積成正比，石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。 吸聲材料 美國ibm宣布，通過重疊兩層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯”試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元

7、件特有的1/f。石墨烯試制成功了相同的晶體管，不過與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音。 超輕防彈衣、超強(qiáng)光轉(zhuǎn)換效率激光武器、超薄超輕型飛機(jī)、超薄能折疊的手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料、高性能儲(chǔ)能和傳感器、超級(jí)電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。 4.石墨烯制備 前石墨烯的制備工藝可分為物理法和化學(xué)法。物理法是從具有高晶格完備性的石墨或類似材料中獲得，石墨烯尺度都在80nm以上。物理法包括：機(jī)械剝離法、加熱sic法、爆炸法和取向附生法?；瘜W(xué)法是通過小分子合成或溶液分離的方法制備，石墨烯尺度在10nm以下

8、。化學(xué)法包括：電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、石墨插層法、球磨法、氧化石墨還原法、熱膨脹剝離法。 5.石墨烯復(fù)合材料 石墨烯應(yīng)用廣闊，但是應(yīng)用和研究最多的是石墨烯復(fù)合材料。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料上。隨著對(duì)石墨烯研究的深入，石墨烯增強(qiáng)體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用越來越受到重視。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，可作為制備高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的理想納米填料，同時(shí)分散在溶液中的石墨烯也可與聚合物單體相混合進(jìn)而經(jīng)聚合形成復(fù)合材料體系，此外石墨烯的加入可賦予復(fù)合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更

9、廣闊的應(yīng)用空間。與純的聚合物相比，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和阻燃性能均有顯著提高，同時(shí)，石墨烯增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能均較黏土或者其他炭材料增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的性能優(yōu)異。 石墨烯聚合物復(fù)合材料 根據(jù)石墨烯與聚合物的作用方式不同可分為石墨烯填充聚合物復(fù)合材料層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料和功能化聚合物復(fù)合材料。石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備主要采用共混法，它通過聚合物與石墨烯納米粒子共混后制成。 石墨烯/無機(jī)物復(fù)合材料 石墨烯/無機(jī)物復(fù)合材料是無機(jī)納米材料（金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料）在石墨烯納米層表面形成石墨烯衍生物。石墨烯與特定功能顆粒結(jié)合，使其在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 石墨烯/金屬復(fù)合材料 石墨烯與聚合物、陶瓷復(fù)合時(shí)會(huì)出現(xiàn)良好的性能。此外，當(dāng)石墨烯與金屬復(fù)合時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。石墨烯比表面積大，可在其片層上修飾金屬納米粒子，即對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，使石墨烯的性質(zhì)發(fā)生改變。另一方面，石墨烯可作為增強(qiáng)體添加到金屬基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用。金屬在塑性變形時(shí)，石墨烯粒子能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加金屬的抗拉、抗彎強(qiáng)度、硬