淺談石墨烯學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1淺談淺談(qin tn)石墨烯石墨烯第一頁，共28頁。 石墨石墨(shm)烯材料的性質(zhì)烯材料的性質(zhì) 石墨烯材料石墨烯材料(cilio)的制備的制備 石墨烯材料的展望石墨烯材料的展望 石墨烯材料的簡介石墨烯材料的簡介 石墨烯材料的應(yīng)用石墨烯材料的應(yīng)用第1頁/共28頁第二頁，共28頁。1 1、定義、定義 石墨烯（石墨烯（GrapheneGraphene）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，厚度只有格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，厚度只有0.3350.335納米納米, ,僅為頭發(fā)的僅為頭發(fā)的2020萬萬分之一，是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富

2、勒烯、一維納米碳分之一，是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電管、三維石墨）的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。學(xué)質(zhì)量。 石墨烯的理論石墨烯的理論(lln)(lln)比表面積高達(dá)比表面積高達(dá)2 600m2Pg ,2 600m2Pg ,具有突出的具有突出的導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能( 3 000Wm- 1K- 1 ) ( 3 000Wm- 1K- 1 ) 和力學(xué)性能和力學(xué)性能(1 060GPa) , (1 060GPa) , 以以及室溫下較高的電子遷移率及室溫下較高的電子遷移率(15 000cm2V- 1s - 1 ) (15

3、 000cm2V- 1s - 1 ) 。此外。此外, ,它的特殊結(jié)構(gòu)它的特殊結(jié)構(gòu), ,使其具有半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、永不消失的電導(dǎo)使其具有半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、永不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)率等一系列性質(zhì) , ,因而備受關(guān)注。因而備受關(guān)注。第2頁/共28頁第三頁，共28頁。第3頁/共28頁第四頁，共28頁?？邓固苟≈Z沃肖洛夫(lu f) 安德烈海姆 第4頁/共28頁第五頁，共28頁。3 3、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 完美完美(wnmi)(wnmi)的石墨烯是二維的的石墨烯是二維的, , 它只包括六角元胞它只包括六角元胞( (等角六邊形等角六邊形) ) 如果有五角元胞和七角元胞存在如果有五角元胞和七角元胞存在,

4、 ,那么他們構(gòu)成石墨那么他們構(gòu)成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞細(xì)胞會使石墨烯翹曲烯的缺陷。如果少量的五角元胞細(xì)胞會使石墨烯翹曲; 12; 12個五角元胞的會形成富勒烯。碳納米管也被認(rèn)為是卷成圓個五角元胞的會形成富勒烯。碳納米管也被認(rèn)為是卷成圓桶的石墨烯桶的石墨烯; ; 可見，石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維可見，石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元第5頁/共28頁第六頁，共28頁。第6頁/共28頁第七頁，共28頁。1 1、機(jī)械、機(jī)械(jxi)(jxi)剝離法剝離法2 2、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法3

5、3、氧化、氧化- -還原法還原法4 4、溶劑剝離法、溶劑剝離法5 5、溶劑熱法、溶劑熱法6 6、其它方法、其它方法 第7頁/共28頁第八頁，共28頁。產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求，目前(mqin)只能作為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。第8頁/共28頁第九頁，共28頁。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。這種薄膜在透光率為80%時電導(dǎo)率即可達(dá)到1.1106S/m，成為目前透明(tumng)導(dǎo)電薄膜的潛在替代品。用CVD法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯，但是理想的基片材料單晶鎳的價格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。C

6、VD法可以滿足規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。第9頁/共28頁第十頁，共28頁?；┑暮趸鶊F(tuán)，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以(ky)制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯難以分散在溶劑中的問題。氧化-還原法的缺點(diǎn)是宏量制備容易帶來廢液污染和制備的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元環(huán)、七元環(huán)等拓?fù)淙毕莼虼嬖?OH基團(tuán)的結(jié)構(gòu)缺陷，這些將導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)性能的損失，使石墨烯的應(yīng)用受到限制。第10頁/共28頁第十一頁，共28頁。第11頁/共28頁第十二頁，共28頁。第12頁/共28頁第十三頁，共28頁。第13頁/共28頁第十四頁，共28頁。1 1、力學(xué)、力學(xué)(l xu)(l

7、xu)性質(zhì)性質(zhì)比鉆石還要硬比鉆石還要硬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析：在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析：在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100100納納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到(d do)(d do)了大約了大約2.92.9微牛。微牛。 據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加5555牛頓的壓力才牛頓的壓力才能使能使1 1米長的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)米長的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100100納米）石墨烯，那么需納米）石墨烯，那么

8、需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。 打個比方說單層石墨烯的強(qiáng)度，就像把大象的重量加到一打個比方說單層石墨烯的強(qiáng)度，就像把大象的重量加到一支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層石墨烯。石墨烯。 第14頁/共28頁第十五頁，共28頁。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)證明證明從鉛筆石墨中提取的石墨烯，竟然比鉆石還堅硬，強(qiáng)度比世從鉛筆石墨中提取的石墨烯，竟然比

9、鉆石還堅硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍，這項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)刊登于近期的界上最好的鋼鐵還要高上百倍，這項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)刊登于近期的科學(xué)雜志，作者是兩位哥倫比亞大學(xué)的研究生，來自中科學(xué)雜志，作者是兩位哥倫比亞大學(xué)的研究生，來自中國的韋小丁和韓裔李琩鈷。國的韋小丁和韓裔李琩鈷。Changgu Lee, et al.Graphene Measurement of theGraphene Measurement of theElastic Properties and Elastic Properties and Intrinsic Strength of Intrinsic Strength of Mon

10、olayerMonolayer Science 321321, 385 (2008);第15頁/共28頁第十六頁，共28頁。DreamsDreams：對于強(qiáng)度比世界上最好：對于強(qiáng)度比世界上最好(zu h(zu ho)o)的鋼的鋼鐵還要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不鐵還要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不僅可以造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅韌僅可以造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅韌的防彈衣，甚至還可以制作的防彈衣，甚至還可以制作2300023000英里長伸入太英里長伸入太空的電梯，實(shí)現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢想。空的電梯，實(shí)現(xiàn)人類坐電梯進(jìn)入太空的夢想。美國國家航空航天局（美國國家航空

11、航天局（NASANASA）懸賞）懸賞400400萬美金萬美金鼓勵科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開發(fā)鼓勵科學(xué)家們進(jìn)行這種電梯的開發(fā)實(shí)現(xiàn)(shxin)人類夢想第16頁/共28頁第十七頁，共28頁。2 2、出色的電學(xué)性質(zhì)、出色的電學(xué)性質(zhì)電子運(yùn)輸電子運(yùn)輸 碳原子有四個價電子，這樣每個碳原子都貢獻(xiàn)碳原子有四個價電子，這樣每個碳原子都貢獻(xiàn)一個未成鍵的一個未成鍵的電子，這些電子，這些電子與平面成垂直電子與平面成垂直(chuzh)(chuzh)的方向可形成軌道，的方向可形成軌道，電子可在晶體中電子可在晶體中自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。此外，石墨自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。此外，石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)

12、。烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。第17頁/共28頁第十八頁，共28頁。第18頁/共28頁第十九頁，共28頁。第19頁/共28頁第二十頁，共28頁。5 5、其它特殊性質(zhì)、其它特殊性質(zhì)石墨烯具有明顯的二維電子特性石墨烯具有明顯的二維電子特性(txng)(txng)。在石墨烯中不具有量子干涉磁阻在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯電子性質(zhì)用量子力學(xué)的迪拉克方程來描述比薛定石墨烯電子性質(zhì)用量子力學(xué)的迪拉克方程來描述比薛定諤方程更諤方程更好可控滲透性好可控滲透性離子導(dǎo)電體各向異性離子導(dǎo)電體各向異性超電容性超電容性 第20頁/共28頁第二十一頁，共28頁。四、石墨四、石墨(shm)(shm)烯的應(yīng)用烯的應(yīng)用Di

13、kinDikin等制成了無支撐氧化石墨烯紙狀材料。氧等制成了無支撐氧化石墨烯紙狀材料。氧化石墨烯片是以一種接近平行的方式相互連接化石墨烯片是以一種接近平行的方式相互連接或瓦片式連接在一起或瓦片式連接在一起(yq)(yq)形成的，拉伸試驗(yàn)形成的，拉伸試驗(yàn)表明氧化石墨烯紙具有較高的拉伸模量和斷裂表明氧化石墨烯紙具有較高的拉伸模量和斷裂強(qiáng)度，其平均模量為強(qiáng)度，其平均模量為32 GPa32 GPa，性能與用類似方，性能與用類似方法制備的碳納米管布基紙相當(dāng)。法制備的碳納米管布基紙相當(dāng)。第21頁/共28頁第二十二頁，共28頁。微電子領(lǐng)域微電子領(lǐng)域(ln (ln y) y) 微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。

14、研究微電子領(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是硅的替代品，能用來人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。 曼徹斯特的小組采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)曼徹斯特的小組采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)制作出晶體管。從一小片石墨烯片層開始，采制作出晶體管。從一小片石墨烯片層開始，采用電子束曝光在材料用電子束曝光在材料(cilio)(cilio)上刻出溝道。上刻出溝道。在被稱為中央島的中部位置保持一個帶有微小在被稱為中央島的中部位置保持一個帶有微小圓籠的量子點(diǎn)。電壓可以改變這些量子點(diǎn)的電圓籠的量子點(diǎn)。電壓可以改變這些量子點(diǎn)的電導(dǎo)率，這樣就可以像標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管

15、那樣儲導(dǎo)率，這樣就可以像標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管那樣儲存邏輯態(tài)。可在存邏輯態(tài)?？稍?6GHz26GHz頻率下運(yùn)作可望使該種頻率下運(yùn)作可望使該種材料材料(cilio)(cilio)超越硅的極限，達(dá)到超越硅的極限，達(dá)到100GHz100GHz以以上的速度跨入兆赫領(lǐng)域。上的速度跨入兆赫領(lǐng)域。 第22頁/共28頁第二十三頁，共28頁。雙層石墨烯可降低雙層石墨烯可降低(jingd)(jingd)元器件電噪聲元器件電噪聲 美國美國IBMIBM公司公司TJTJ沃森研究中心沃森研究中心的科學(xué)家，最近攻克了在利用石的科學(xué)家，最近攻克了在利用石墨構(gòu)建納米墨構(gòu)建納米(n m)(n m)電路方面最令電路方面最令人困擾的難題，

16、即通過將兩層石人困擾的難題，即通過將兩層石墨烯片疊加，可以將元器件的電墨烯片疊加，可以將元器件的電噪聲降低噪聲降低1010倍，由此可以大幅改倍，由此可以大幅改善晶體管的性能，這將有助于制善晶體管的性能，這將有助于制造出比硅晶體管速度快、體積小、造出比硅晶體管速度快、體積小、能耗低的石墨烯晶體管。能耗低的石墨烯晶體管。 第23頁/共28頁第二十四頁，共28頁。石墨烯可作為宇宙學(xué)研究石墨烯可作為宇宙學(xué)研究(ynji)(ynji)的平臺的平臺 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學(xué)中一個重要的無量綱數(shù)，用希臘字母精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學(xué)中一個重要的無量綱數(shù)，用希臘字母表示，它與量子電動力學(xué)有著緊密的淵源。它將電動力學(xué)中的

17、電荷表示，它與量子電動力學(xué)有著緊密的淵源。它將電動力學(xué)中的電荷e e、量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)h h、相對論中的光速、相對論中的光速c c聯(lián)系起來，定義為聯(lián)系起來，定義為=(e2)/(20=(e2)/(20* *h h* *c)(c)(其中其中 e e 是電子的電荷，是電子的電荷， 0 0 是真空是真空(zhnkng)(zhnkng)介電常數(shù)，介電常數(shù)， h h 是普朗克常數(shù)，是普朗克常數(shù)， c c 是真空是真空(zhnkng)(zhnkng)中中的光速的光速).).而其大小為什么約等于而其大小為什么約等于1/1371/137至今尚未得到令人信服的回答。至今尚未得到令人信服

18、的回答。 Geim Geim與與Rahul.NairRahul.Nair和和Peter.BlakePeter.Blake兩位博士一道，首次創(chuàng)造出兩位博士一道，首次創(chuàng)造出巨大的懸浮石墨烯薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石巨大的懸浮石墨烯薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫?，可以吸收大約墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫?，可以吸收大約2.3%2.3%的可見光。而相關(guān)的理的可見光。而相關(guān)的理論研究也表明，如果將這一數(shù)字除以圓周率，就會得到較為精確的論研究也表明，如果將這一數(shù)字除以圓周率，就會得到較為精確的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值。第24頁/共28頁第二十五頁，共28頁。第25頁/共28頁第二十六頁，共28頁。1.1. 電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管2.2. 進(jìn)一步減小器件開關(guān)時間，進(jìn)一步減小器件開關(guān)時間，THzTHz超高頻率的操作響應(yīng)特性超高頻率的操作響應(yīng)特性3.3. 探索單電子器件探索單電子器件4.4. 在同一片石墨烯上集成整個電路在同一片石墨烯上集成整個電路5.5. 其它潛在應(yīng)用包括：復(fù)合材料；作為電池電極材料以提高其它潛在應(yīng)用包括：復(fù)合材料；作為電池電極材料以提高 電電池效率、儲氫材料領(lǐng)域、場發(fā)射材料、量子計算機(jī)以及超靈敏池效率、儲氫材料領(lǐng)域、場發(fā)射材料、量子計算機(jī)以及超靈敏(ln mn)