石-墨-烯教學(xué)講解課件

一.關(guān)于石墨烯

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，常溫下其電子遷移率*超15000cm2/V·s，而電阻率只約10-6Ω·cm，為目前世上電阻率最小的材料。石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)一.關(guān)于石墨烯石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米二，發(fā)現(xiàn)歷程

1918年，V.Kohlschütter和P.Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物紙的性質(zhì)（graphiteoxidepaper）

1948年，G.Ruess和F.Vogt發(fā)表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯）

2004年，曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學(xué)院（InstituteforMicroelectronicsTechnology）的兩組物理團(tuán)隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面

2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實石墨烯的準(zhǔn)粒子（quasiparticle）是無質(zhì)量迪拉克費米子（Diracfermion）。類似這樣的發(fā)現(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱潮。二，發(fā)現(xiàn)歷程1918年，V.Kohlschütter三.石墨烯的優(yōu)點

1、它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。2、本征石墨烯的電子遷移率非常高，遠(yuǎn)超過現(xiàn)在使用的各種半導(dǎo)體材料；3、單層石墨烯的透光性很好，可以在光電領(lǐng)域應(yīng)用；4、石墨烯的熱導(dǎo)率很高，可在導(dǎo)熱材料領(lǐng)域進(jìn)行研究三.石墨烯的優(yōu)點1、它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此四，石墨烯的性質(zhì)

1.原子結(jié)構(gòu)

懸掛于金屬網(wǎng)柵上方，隔離的單層石墨烯平片，可以用穿透式電子顯微鏡觀測。顯示出的石墨烯平片皺紋，其波幅大約為一納米。隔離的單層石墨烯貼附在氧化硅基板上方，其原子分辨率的真實空間圖像，可以用掃描隧道顯微鏡觀測得到。經(jīng)過光刻術(shù)處理后的石墨烯會被光阻劑渣滓覆蓋，必須清洗除去這些渣滓，才能得到原子分辨率圖像。（這些渣滓可能是穿透式電子顯微鏡所觀測到的吸附物，可能是造成皺紋的因素。）四，石墨烯的性質(zhì)1.原子結(jié)構(gòu)

2電子性質(zhì)純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導(dǎo)體，對于低能量電子，在二維的六角形布里淵區(qū)的六個轉(zhuǎn)角附近，能量-動量關(guān)系是線性關(guān)系：石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)2電子性質(zhì)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)

3異常量子霍爾效應(yīng)

量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生于二維導(dǎo)體。這效應(yīng)促成了一種新度量衡標(biāo)準(zhǔn)，稱為電阻率量子（resistivityquantum）；垂直于外磁場的載流導(dǎo)線，其橫向電導(dǎo)率會呈現(xiàn)量子化值。稱這橫向電導(dǎo)率為霍爾電導(dǎo)率（Hallconductivity），以方程表示為

其中，N是整數(shù).

3異常量子霍爾效應(yīng)4石墨烯氧化物

通過對石墨烯進(jìn)行氧化及化工處理，然后使他們漂浮在水中，石墨烯會剝落并形成有強(qiáng)力鍵的單層。4石墨烯氧化物五.制備方法撕膠帶法/輕微摩擦法

用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯

氧化減薄石墨片法

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯切割碳納米管法

用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管，用等離子體刻蝕（plasmaetching）一部分嵌入于聚合物的納米管五.制備方法撕膠帶法/輕微摩擦法六.最新成果

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫六.最新成果石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)七.應(yīng)用1◎單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應(yīng)方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當(dāng)一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發(fā)生電阻的局域變化。當(dāng)然，這種效應(yīng)也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導(dǎo)率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化七.應(yīng)用1◎單分子氣體偵測應(yīng)用2---石墨烯納米帶

為了要賦予單層石墨烯某種電性，會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphenenanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計算，預(yù)測鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預(yù)測扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導(dǎo)體性質(zhì)；

石墨烯納米帶的二維結(jié)構(gòu)具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。

鋸齒形石墨烯納米帶的二維結(jié)構(gòu)。采用緊束縛近似模型做出的計算，顯示出鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)應(yīng)用2---石墨烯納米帶為了要賦予單層石墨烯某種電性，應(yīng)用3

透明導(dǎo)電電極

石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。通過化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用3透明導(dǎo)電電極應(yīng)用4石墨烯生物器件

由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺吋厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優(yōu)良的選擇。

科學(xué)家希望能夠發(fā)展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認(rèn)為石墨烯是一種具有這潛能的材料。應(yīng)用4石墨烯生物器件應(yīng)用5---抗菌物質(zhì)

中國科學(xué)院上海分院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細(xì)胞。假若石墨烯氧化物對其他細(xì)菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應(yīng)用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。應(yīng)用5---抗菌物質(zhì)石墨烯的前景觸摸面板試制品石墨烯的前景觸摸面板試制品石--墨--烯教學(xué)講解課件石--墨--烯教學(xué)講解課件※可做“太空電梯”纜線

石墨烯不僅可以用來開發(fā)出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料。超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。研究人員表示，如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖，將能降低超堅固碳素婦科材料的成本，碳素復(fù)合材料在航空航天·汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。※可做“太空電梯”纜線Thankyouforyourtime!Thankyoufor一.關(guān)于石墨烯

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，常溫下其電子遷移率*超15000cm2/V·s，而電阻率只約10-6Ω·cm，為目前世上電阻率最小的材料。石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)一.關(guān)于石墨烯石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米二，發(fā)現(xiàn)歷程

1918年，V.Kohlschütter和P.Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物紙的性質(zhì)（graphiteoxidepaper）

1948年，G.Ruess和F.Vogt發(fā)表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯）

2004年，曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學(xué)院（InstituteforMicroelectronicsTechnology）的兩組物理團(tuán)隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面

2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實石墨烯的準(zhǔn)粒子（quasiparticle）是無質(zhì)量迪拉克費米子（Diracfermion）。類似這樣的發(fā)現(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱潮。二，發(fā)現(xiàn)歷程1918年，V.Kohlschütter三.石墨烯的優(yōu)點

1、它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。2、本征石墨烯的電子遷移率非常高，遠(yuǎn)超過現(xiàn)在使用的各種半導(dǎo)體材料；3、單層石墨烯的透光性很好，可以在光電領(lǐng)域應(yīng)用；4、石墨烯的熱導(dǎo)率很高，可在導(dǎo)熱材料領(lǐng)域進(jìn)行研究三.石墨烯的優(yōu)點1、它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此四，石墨烯的性質(zhì)

1.原子結(jié)構(gòu)

懸掛于金屬網(wǎng)柵上方，隔離的單層石墨烯平片，可以用穿透式電子顯微鏡觀測。顯示出的石墨烯平片皺紋，其波幅大約為一納米。隔離的單層石墨烯貼附在氧化硅基板上方，其原子分辨率的真實空間圖像，可以用掃描隧道顯微鏡觀測得到。經(jīng)過光刻術(shù)處理后的石墨烯會被光阻劑渣滓覆蓋，必須清洗除去這些渣滓，才能得到原子分辨率圖像。（這些渣滓可能是穿透式電子顯微鏡所觀測到的吸附物，可能是造成皺紋的因素。）四，石墨烯的性質(zhì)1.原子結(jié)構(gòu)

2電子性質(zhì)純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導(dǎo)體，對于低能量電子，在二維的六角形布里淵區(qū)的六個轉(zhuǎn)角附近，能量-動量關(guān)系是線性關(guān)系：石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)2電子性質(zhì)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)

3異常量子霍爾效應(yīng)

量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生于二維導(dǎo)體。這效應(yīng)促成了一種新度量衡標(biāo)準(zhǔn)，稱為電阻率量子（resistivityquantum）；垂直于外磁場的載流導(dǎo)線，其橫向電導(dǎo)率會呈現(xiàn)量子化值。稱這橫向電導(dǎo)率為霍爾電導(dǎo)率（Hallconductivity），以方程表示為

其中，N是整數(shù).

3異常量子霍爾效應(yīng)4石墨烯氧化物

通過對石墨烯進(jìn)行氧化及化工處理，然后使他們漂浮在水中，石墨烯會剝落并形成有強(qiáng)力鍵的單層。4石墨烯氧化物五.制備方法撕膠帶法/輕微摩擦法

用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯

氧化減薄石墨片法

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯切割碳納米管法

用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管，用等離子體刻蝕（plasmaetching）一部分嵌入于聚合物的納米管五.制備方法撕膠帶法/輕微摩擦法六.最新成果

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫六.最新成果石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)七.應(yīng)用1◎單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應(yīng)方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當(dāng)一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發(fā)生電阻的局域變化。當(dāng)然，這種效應(yīng)也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導(dǎo)率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化七.應(yīng)用1◎單分子氣體偵測應(yīng)用2---石墨烯納米帶

為了要賦予單層石墨烯某種電性，會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphenenanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計算，預(yù)測鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預(yù)測扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導(dǎo)體性質(zhì)；

石墨烯納米帶的二維結(jié)構(gòu)具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。

鋸齒形石墨烯納米帶的二維結(jié)構(gòu)。采用緊束縛近似模型做出的計算，顯示出鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)應(yīng)用2---石墨烯納米帶為了要賦予單層石墨烯某種電性，應(yīng)用3

透明導(dǎo)電電極

石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。通過化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)