石-墨-烯教學講解課件

一.關于石墨烯

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；導熱系數(shù)高達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構一.關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，曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學院（InstituteforMicroelectronicsTechnology）的兩組物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面

2005年，同樣曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的準粒子（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，遠超過現(xiàn)在使用的各種半導體材料；3、單層石墨烯的透光性很好，可以在光電領域應用；4、石墨烯的熱導率很高，可在導熱材料領域進行研究三.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.原子結構

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.原子結構

2電子性質(zhì)純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體，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-動量關系是線性關系：石墨烯的能帶結構2電子性質(zhì)石墨烯的能帶結構

3異常量子霍爾效應

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

其中，N是整數(shù).

3異常量子霍爾效應4石墨烯氧化物

通過對石墨烯進行氧化及化工處理，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

石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·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為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)七.應用1◎單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結構使它在傳感器領域具有光明的應用前景。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。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當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。當然，這種效應也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化七.應用1◎單分子氣體偵測應用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，預測鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預測扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導體性質(zhì)；

石墨烯納米帶的二維結構具有高電導率、高熱導率、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構。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)應用2---石墨烯納米帶為了要賦予單層石墨烯某種電性，應用3

透明導電電極

石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導電極材料。通過化學氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導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1.71%能量轉(zhuǎn)換效率應用3透明導電電極應用4石墨烯生物器件

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

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

中國科學院上海分院的科學家發(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胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。應用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--烯教學講解課件石--墨--烯教學講解課件※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材料。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。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，碳素復合材料在航空航天·汽車和建筑等領域具有廣泛的用途?！勺觥疤针娞荨崩|線Thankyouforyourtime!Thankyoufor一.關于石墨烯

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；導熱系數(shù)高達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構一.關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，曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學院（InstituteforMicroelectronicsTechnology）的兩組物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面

2005年，同樣曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的準粒子（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，遠超過現(xiàn)在使用的各種半導體材料；3、單層石墨烯的透光性很好，可以在光電領域應用；4、石墨烯的熱導率很高，可在導熱材料領域進行研究三.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.原子結構

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.原子結構

2電子性質(zhì)純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體，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-動量關系是線性關系：石墨烯的能帶結構2電子性質(zhì)石墨烯的能帶結構

3異常量子霍爾效應

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

其中，N是整數(shù).

3異常量子霍爾效應4石墨烯氧化物

通過對石墨烯進行氧化及化工處理，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

石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·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為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)七.應用1◎單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結構使它在傳感器領域具有光明的應用前景。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。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當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。當然，這種效應也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化七.應用1◎單分子氣體偵測應用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，預測鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預測扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導體性質(zhì)；

石墨烯納米帶的二維結構具有高電導率、高熱導率、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構。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)應用2---石墨烯納米帶為了要賦予單層石墨烯某種電性，應用3

透明導電電極

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