石墨烯介紹課件

石墨烯介紹Date:

2013年05月10日石墨烯介紹Date:2013年05月10日11石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用1石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用2什么是石墨烯?石墨烯(英文Graphene，命名來自英文graphite+-ene)是一種由C原子形成的蜂巢狀的準二維結(jié)構，是C元素的另外一種同素異形體。由于是從石墨中制取，且包含烯類物質(zhì)的基本特征(碳原子之間的雙鍵),所以稱為石墨烯。

我們所熟知的石墨、納米碳管和富勒烯等，是由單層石墨烯經(jīng)某種形變而形成的。名稱簡述模型結(jié)果富勒烯Fullerene1985年，英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利等人在實驗中首次制得由60個碳組成的碳原子簇結(jié)構分子C60。克羅托獲得1996年度諾貝爾化學獎隨后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)C70等一系列由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構成的封閉式空心球或橢球結(jié)構的共軛烯結(jié)構，以建筑學家富勒命名為富勒烯。碳納米管在1991年日本NEC公司的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“CarbonNanotube”，即碳納米管。石墨烯2004年，曼徹斯特大學Geim教授、Novoselov博士和同事以微機械剝離法剝離層狀石墨，發(fā)現(xiàn)了二維碳原子平面結(jié)構——石墨烯。碳元素的同素異性體什么是石墨烯?石墨烯(英文Graphene，命名3石墨烯的來源?實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。石墨烯石墨烯的來源?實際上石墨烯本來就存在于自然界，只4如何獲得石墨烯?1947年，菲利普·華萊士開始研究石墨烯的電子結(jié)構1987年，穆拉斯首次使用Graphene一詞如何才能制得石墨烯？美國德克薩斯大學的羅德尼·魯夫曾嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個簡單的方法可獲得單層石墨烯，但可惜他當時并沒有對產(chǎn)物的厚度做進一步的測量。美國哥倫比亞大學的菲利普·金也利用石墨制作了一個“納米鉛筆”，進行劃寫，得到了石墨薄片，層數(shù)最低可達10層。他們離石墨烯的發(fā)現(xiàn)僅一步之遙。如何獲得石墨烯?1947年，菲利普·華萊士開始研究石墨烯的電5如何獲得石墨烯?2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆（AndreK.Geim）【左】和他的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫【右】偶然中發(fā)現(xiàn)了一種簡單易行的新途徑。他們強行將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用普通的塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯，推翻了科學界的一個長久以來的錯誤認識——任何二維晶體不能在有限的溫度下穩(wěn)定存在。如何獲得石墨烯?2004年，英國曼徹斯特大學的6如何獲得石墨烯?如何獲得石墨烯?7安德烈·海姆（左）和康斯坦丁·諾沃謝洛夫（右）

如何獲得石墨烯?安德烈·海姆（左）和康斯坦丁·諾沃謝洛夫（右）如何獲得石墨8是他們將石墨烯帶到了這個世界這是一個具有傳奇色彩的故事……AndreGeim(left)andKonstantinNovoselovfirstisolatedgraphenein2004.

CREDIT:THEUNIVERSITYOFMANCHESTERScience2004Oct.如何獲得石墨烯?是他們將石墨烯帶到了這個世界這是一個具有傳奇色彩的故事……A92010年10月5日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯---2010諾貝爾物理學獎他們于2004年首次制成石墨烯材料。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個原子厚.如何獲得石墨烯?2010年10月5日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2010

如何獲得石墨烯?膠帶沾出了諾貝爾獎——

只有想不到的，沒有做不到的！對于創(chuàng)新來說，方法就是新的世界，最重要的不是知識，而是思路。

————郎加明《創(chuàng)新的奧秘》如何獲得石墨烯?膠帶沾出了諾貝爾獎——111石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用1石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用12世界上最薄的材料世界上導電性能最好的材料世界上強度最高的材料世界上導熱性最好的材料世界上最薄的材料13石墨烯特性---緣何為“超級材料”特性簡述導電性(最好)石墨烯結(jié)構非常穩(wěn)定，迄今為止研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小;在室溫狀況，石墨烯具有驚人的高電子遷移率（electronmobility），其數(shù)值超過15,000cm2V?1s?1,電阻率只約10-6

Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料;電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗;機械特性(強度最大)石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的拉力，而不至于斷裂.化學性質(zhì)石墨烯具有與石墨相似的表面特性,可以吸附各種原子和分子。光學特性石墨烯的可見光透過率97.7%，且與波長無關。因此自由懸浮的石墨烯是高度透明且無色無味的。物理特性僅有一個原子的厚度,石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管,集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當硅材料尺寸小于10nm時，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。熱導率(極高)石墨烯的熱導率約為5000wm/K，是室溫下銅的熱導率（401wm/K）的10倍多。石墨烯特性---緣何為“超級材料”特性簡述導電性石墨烯結(jié)構非141石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用1石墨烯介紹2石墨烯特性3石墨烯應用15石墨烯應用1.電子器件方面的應用室溫下石墨烯具有l(wèi)0倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10am/V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。2.代替硅生產(chǎn)超級計算機石墨烯還是目前已知導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)的領頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。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。3.光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結(jié)束。2011年10月，IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。超級計算機芯片-目前世上電阻率最小的材料，電阻率僅為10-6Ω?cm美科學家制出4寸石墨烯晶圓石墨烯應用1.電子器件方面的應用2.代替硅生產(chǎn)超級計算機164.減少噪音

美國IBM宣布，通過重疊2層相當于石墨單原子層的“石墨烯(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，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電子結(jié)合，從而控制噪音。5.柔軟的透明電極傳統(tǒng)的透明電極用的是氧化銦錫（簡稱ITO），由于銦的價格高昂和供應受限，而且這種材料比較脆，缺乏柔韌性，并且制作電極過程中需要在真空中層沉積而成本比較高，除了透明、導電性好、容易制備等要求，還需要材料本身的柔韌性比較好而石墨烯正是這么一種材料，非常合適來做透明電極。韓國三星利用化學氣相沉積方法獲得了對角長度為30英寸的石墨烯，并將其轉(zhuǎn)移到188微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯（Polyethyleneterephthalate，簡稱PET）薄膜上，進而制造出了以石墨烯為基礎的觸摸屏;6.石墨烯動力鋰電池

10分鐘就能完成充電，還不損害電池使用壽命(鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動)

。利用石墨烯制成的石墨烯動力鋰電池，電池極片的導電性能更高，電池內(nèi)的電阻更小，蓄電能力、快速充放電能力比普通鋰電池強得多IBM展示全球最快石墨烯晶體管，處理速度可達100GHz石墨烯銀電極大小3.1英寸組裝好的石墨烯觸摸屏面板電腦上使用的石墨烯觸摸屏石墨烯應用4.減少噪音5.柔軟的透明電極6.石墨烯動力鋰電池177.其他應用–抗菌1).中國科學院上海分院的科研人員發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效,而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤。石墨烯應用7.其他應用–抗菌石墨烯應用18其他應用–太空電梯2).石墨烯不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，

甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。石墨烯應用其他應用–太空電梯石墨烯應用19石墨烯介紹課件20名稱方法優(yōu)點缺點適用范圍微機械剝離用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，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。工藝簡單，可得到單層手工、費時，尺寸不易控制，無法批量生產(chǎn)基礎研究或者原型器件SiC高溫熱解超高真空(10-10Torr)下對SiC襯底氧化或氫化處理，加熱至1200~1500℃，再降溫冷卻形成石墨烯。Si面形成單層或少層片狀石墨烯，C面形成多層石墨烯。純度高，可大面積生長，無需襯底轉(zhuǎn)移成本高,均勻性較差高性能的電子器件，晶圓級金屬襯底CVD法首先沉積一層過渡族金屬(如Fe、Cu、Ni、Pt、Au、Ru、Ir等)薄膜作為襯底，利用其與C的高溫固溶，然后冷卻析出，再表面重構，形成石墨烯?？纱竺娣e生長，可控性較好需過渡族金屬催化，必須襯底轉(zhuǎn)移層數(shù)精確控制較難高性能電子器件，晶圓級氧化-分散-還原法將石墨氧化后分散(超聲、高速離心)到溶液中得到前體，再用還原劑還原得到單層或多層石墨烯。工藝簡單，可控性較好成本低廉可控性差，生產(chǎn)率低，石墨烯中含氧功能團多，導電性差基礎研究或小型器件石墨烯主要制備方法比較名稱方法優(yōu)點缺點適用范圍微機械用另外一種材料膨化或者引入缺陷21微機械剝離法

利用手工或超聲的方法將高取向性高溫熱解石墨(HOPG)逐層剝離，缺點是效率低、無法大面積，優(yōu)點是層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。如果采用超聲剝離技術，可以提高效率和成品率石墨烯制備方法微機械剝離法如果采用超聲剝離技術，可以提高效率和成品率石墨烯22SiC襯底高溫熱解法

超高真空(10-10Torr)下對SiC襯底氧化或氫化處理，加熱至1200~1500℃，再降溫冷卻形成石墨烯。優(yōu)點是可得到單層和雙層石墨烯，缺點是成本高、均勻性差，Si面形成單層或少層片狀石墨烯，C面形成多層石墨烯。GrapheneandEmergingMaterialsforPost-CMOSApplications,2009,19(5):125-130C-terminateSiCSi-terminateSiC石墨烯制備方法SiC襯底高溫熱解法GrapheneandEmergin23過渡族金屬襯底CVD法

首先沉積一層過渡族金屬(如Fe、Cu