石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能

1、石墨烯的石墨烯的 制備與應(yīng)用制備與應(yīng)用王永強(qiáng)王永強(qiáng) 目錄目錄 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(jiǎn)單分類 石墨烯的制備通向通向 的電梯的電梯石墨烯的發(fā)現(xiàn)石墨烯的發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)有人在太空電梯一文中設(shè)想：1）有一天你走進(jìn)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(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。2）目前，將一個(gè)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(zhǎng)的電纜上移動(dòng)，而電纜則靠地球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力來固定。碳納米管的出現(xiàn)又朝這一夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)了一步?？茖W(xué)家愛德華茲

2、已證明利用納米技術(shù)可以做出能夠支撐太空電梯的超強(qiáng)力電纜。 4）科學(xué)家研究發(fā) 現(xiàn)，建造一個(gè)200噸的電梯是個(gè)合理的設(shè)想，而且具有商業(yè)價(jià)值。一個(gè)200噸的太空電 梯 的大小 相當(dāng) 于一架大型的商務(wù)飛機(jī)。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?cè)O(shè)想并不是無法實(shí)現(xiàn)的在2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)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(jiǎn)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

3、。石墨烯的結(jié)構(gòu)石墨烯的結(jié)構(gòu) 石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)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(jī)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(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)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)石墨烯的結(jié)構(gòu) 如果有五邊形和七邊形存在，則會(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。 少量的五角元

4、胞細(xì)胞會(huì)使石墨烯翹曲，12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同形成富勒烯。石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管 。 石墨烯性能簡(jiǎn)介石墨烯性能簡(jiǎn)介 光學(xué)性能 電學(xué)性能 力學(xué)性能 熱學(xué)性能光學(xué)性能光學(xué)性能 石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能。 理論和實(shí)驗(yàn)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(xué)性能電學(xué)性能 石墨烯的每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成一個(gè)大鍵，電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。 電子在石墨烯中傳輸時(shí)不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)200000cm2/(V*s)，約為硅中電子遷移率的140倍，其電導(dǎo)率

5、可達(dá)104S/m，是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料。電學(xué)性能電學(xué)性能 石墨烯的導(dǎo)電性可通過化學(xué)改性的方法進(jìn)行控制，并可同時(shí)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(xué)性能力學(xué)性能 石墨烯是已知材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。 其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。 石墨烯的強(qiáng)度極限為42N/m2.。熱學(xué)性能熱學(xué)性能 石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率約為5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石，是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多。 石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630m2/g。石墨烯的簡(jiǎn)單分類石墨烯的簡(jiǎn)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

6、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。石墨烯的制備石墨烯的制備 1微機(jī)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(jiǎn)單的方法:微機(jī)械剝離法成功地制備并觀測(cè)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(jìn)行反復(fù)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

7、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(huì)由于范德華力或毛細(xì)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。該法工藝簡(jiǎn)單, 成本低廉, 但費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 重復(fù)性差,難以大規(guī)模制備。 2沉積生長(zhǎng)法 沉積生長(zhǎng)法通過化學(xué)氣相沉積在絕緣表面(例如SIC)或金屬表面(例如Ni)生長(zhǎng)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(duì)Si的熱解吸附，實(shí)現(xiàn)了在以SI終止的單晶6HSIC的(0001)面上外延生長(zhǎng)石墨烯膜或通過真空石墨化在單晶SIC(0001)表面外延生長(zhǎng)石墨烯，但是由于SIC在高溫下易發(fā)生表面重構(gòu)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯膜； 使

8、用的是一種以鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積爐 ,通入含碳?xì)怏w ,例如 ,碳?xì)浠衔?,它在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面 ,形成石墨烯 ,通過輕微的化學(xué)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(qiáng)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(tuán), 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(duì)GO進(jìn)行還原, 可以將GO平面結(jié)構(gòu)上的含氧基團(tuán)去除,可使大P鍵共軛體系得到恢復(fù),即可制得高導(dǎo)電性的石墨烯。但該方法簡(jiǎn)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(shí)溶劑可以插入石墨層間 ,進(jìn)行層層剝離 ,制備出石墨烯。此方法不會(huì)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(xué) Hernandez 發(fā)現(xiàn)適合剝離石墨的溶劑最佳表面張力應(yīng)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(dǎo)率為6500S/ m。 進(jìn)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