石墨烯簡單介紹專業(yè)知識講座課件

石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，是C的另外一種同素異形體。石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元。例如，在計算石墨和碳納米管特性時，通常都是從石墨烯這個基本結(jié)構(gòu)單元出發(fā)的。石墨烯：基本結(jié)構(gòu)單元什么是石墨烯？石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的1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(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨。1mm厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。石墨烯的來源？實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出2石墨烯介紹石墨烯介紹3碳─自然界萬事萬物中最重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的主要元素。碳材料包括活性炭、碳黑、碳纖維、金剛石、石墨。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，1985年由60個碳原子構(gòu)成的“足球”分子C60（富勒烯）被發(fā)現(xiàn)，1991年由石墨層卷曲而成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)：碳納米管被發(fā)現(xiàn)。2004年英國曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家AndreGeim和KonstantinNovoselov在用機(jī)械剝離發(fā)制備出石墨烯。發(fā)現(xiàn)歷程石墨、碳納米管、富勒烯是由單層石墨烯經(jīng)某種形變演變而來的碳─自然界萬事萬物中最重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的主要元41947年P(guān)hilipWallace研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)1956年J.W.McClure推到出相應(yīng)的波函數(shù)1960年LinusPauling曾質(zhì)疑過石墨烯的導(dǎo)電性1984年G.W.Semenoff得出與波函數(shù)方程類似的狄拉克方程1987年首席使用“graphene”指代單層石墨烯PhilipKim利用石墨在表面上畫寫，得到石墨薄片2004年AndreGeim和KonstantinNovoselov在實驗室用機(jī)械剝離法制備出石墨烯發(fā)現(xiàn)歷程發(fā)現(xiàn)歷程曲折的六十年1947年P(guān)hilipWallace研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)5理論物理學(xué)家認(rèn)為單層石墨烯不存在發(fā)現(xiàn)歷程早在1934年L.D.Landau和R.E.Peierls就指出準(zhǔn)二維晶體材料由于其自身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，在常溫常壓下會迅速分解1966年Mermin-Wagner理論指出表面起伏會破壞二維晶體的長程有序，因此二維晶體石墨烯只是作為研究碳質(zhì)材料的理論模型理論物理學(xué)家認(rèn)為單層石墨烯不存在發(fā)現(xiàn)歷程早在1934年L.D6可惜的一步之遙發(fā)現(xiàn)歷程美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的RodneyRouff層嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個簡單的辦法可后的石墨烯，但他沒有對產(chǎn)物做進(jìn)一步的檢測美國哥倫比亞大學(xué)的PhilipKim利用石墨制作了一個“納米鉛筆”，在一個表面上畫寫，并得到了石墨薄片，層數(shù)最低可達(dá)0層可以說，他們離石墨烯的發(fā)現(xiàn)只有一步之遙，諾貝爾獎的史冊極大可能匯銀他們的進(jìn)一步工作而改寫。但命運之神最終沒有眷顧他們。可惜的一步之遙發(fā)現(xiàn)歷程美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Rodne7AndreGeim和KonstantinNovoselov的諾貝爾獎發(fā)現(xiàn)歷程2004英國曼徹斯特大學(xué)AndreGeim和他的徒弟KonstantinNovoselov在實驗室用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從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。因此兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。AndreGeim和KonstantinNovoselo8AndreGeim和KonstantinNovoselovAndreGeim和KonstantinNovoselo9同AndreGeim和KonstantinNovoselov工作更接近的是美國喬亞理工學(xué)院的WaltdeHeer外延生長法石墨烯的研究。其在2010年11月17日寫信給諾貝爾獎委員會，并在一篇題為Elarydevelopmentofgrapheneelectronics的補(bǔ)充文章中詳細(xì)綜述了與石墨烯相關(guān)的研究，并提供了自己在2003年10月向美國自然科學(xué)基金委遞交的一份與石墨烯相關(guān)的基金申請書和200年申請的一項專利（Patternedthinfilmgraphitedevicesandmethodformakingsame,2006年獲批）發(fā)現(xiàn)歷程與碳納米管發(fā)現(xiàn)相似的插曲然而，科學(xué)史告訴我們：非常接近真理和真正懂得其意義是兩回事。每一項重要的理論都有可能曾被前人提出過。因此，一項開創(chuàng)性成果應(yīng)歸功于那些做出原創(chuàng)性成果并深刻認(rèn)識該工作重大意義的人。同AndreGeim和KonstantinNovosel10AndreGeim等人的又一發(fā)現(xiàn)2005年，在同一時期的Nature雜志上，蓋姆等人和菲利普·金小組同時證明單層石墨烯具有同理論相符的電子特性。這一點同碳納米管的發(fā)現(xiàn)又一次不謀而合。單壁碳納米管也是在朵壁碳納米管被發(fā)現(xiàn)兩年后于1993年被發(fā)現(xiàn)者本人Iijima和IBM小組成功制備出來的。發(fā)現(xiàn)歷程AndreGeim等人的又一發(fā)現(xiàn)2005年，在同一時期的N11石墨烯是指僅有一個原子尺寸厚的單層石墨層片，由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳-碳鍵長0.142nm。每個晶格內(nèi)有三個?鍵，連接十分牢固，形成了穩(wěn)定的六邊形狀。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，厚度為0.35nm,約為頭發(fā)直徑的二十萬分之一。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳原子間的連接極其柔韌。收到外力時，碳原子面發(fā)生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。碳六邊形石墨烯納米條帶在結(jié)構(gòu)上，石墨烯和碳納米管類比?？筛鶕?jù)邊緣碳鏈的不同可分為鋸齒形和扶手椅型。鋸齒形和扶手椅型的石墨烯納米條帶呈現(xiàn)不同的電子傳輸特性。鋸齒形石墨烯條帶通常為金屬型；而扶手椅型石墨烯條帶則可能為金屬型或半導(dǎo)體型。2結(jié)構(gòu)與性能鋸齒型扶手椅型石墨烯是指僅有一個原子尺寸厚的單層石墨層片，由sp2雜化的碳12石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。理論和實驗結(jié)構(gòu)表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透光率為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一次相差2.3%，因此可根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數(shù)。即石墨烯的透光性與其厚度相關(guān)，與波長無關(guān)。結(jié)構(gòu)與性能光學(xué)性能另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一個臨界值時，石墨烯對其的的吸收會達(dá)到飽和，這一非線性光學(xué)行為稱為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強(qiáng)光輻照下，由于其寬波吸收和零帶隙的特點，石墨烯會慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué)，如光纖激光器。石墨烯的透光性石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。理論和實驗結(jié)構(gòu)表明，單層石墨烯吸收13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（抗拉強(qiáng)度）為42N/M2。力學(xué)性能普通鋼的強(qiáng)度極限大多分布在250~1200MPa范圍內(nèi)，即0.25?109~1.2?109N/m2。如果鋼具有同石墨烯一樣的厚度（約0.335nm），則可推算出其二維強(qiáng)度極限0.084~0.40N/m。由此可知，理想石墨烯的強(qiáng)度約為普通鋼的100倍。研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。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100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。結(jié)構(gòu)與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14電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)2?105cm2/（V·s）,約為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達(dá)106S/m,石墨烯的面電阻約為31?/sq，是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料。石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道電子形成大∏鍵，∏電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強(qiáng)，常溫下，及時周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子收到的干擾也小。結(jié)構(gòu)與性能電學(xué)性能電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)2?105cm2/15熱學(xué)性能①單層石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k,比碳納米管的而傳

導(dǎo)率3000-3500Wm·k還要高，相比之下，工業(yè)界中被廣泛使用的散

熱材料金屬銅的熱傳導(dǎo)率只有400Wm·k

②隨著石墨烯層數(shù)的增加，其熱傳導(dǎo)率逐漸下降；當(dāng)石墨烯從2層增

至4層時，其熱導(dǎo)率從2800Wmk降低至1300Wmk；當(dāng)層數(shù)達(dá)到5-8

層，減小到石墨的熱導(dǎo)率③單層石墨烯的導(dǎo)熱率與片層寬度、缺陷密度和邊緣的無序性密切

相關(guān)④在室溫以上，導(dǎo)熱率隨著溫度的增加而逐漸減?、菔┢瑢友仄侥攴较?qū)峋哂懈飨虍愋缘奶匦?。結(jié)構(gòu)與性能熱學(xué)性能①單層石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k,比碳161.化學(xué)氣相沉積法2.機(jī)械玻璃法3.外延生長發(fā)4.氧化還原法石墨烯制備制備方法1.化學(xué)氣相沉積法石墨烯制備制備方法17化學(xué)氣相沉積法（CVD）碳源：有機(jī)氣體（如甲烷、乙烯等）、液體

（乙醇）或固態(tài)（樟腦、蔗糖）基底：金屬箔（銅箔、鎳箔等）反應(yīng)裝置：電阻爐（如圖）（原理：將有機(jī)氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機(jī)氣體脫氫在基底表面形成石墨烯石墨烯制備化學(xué)氣相沉積法（CVD）碳源：有機(jī)氣體（如18化學(xué)氣相沉積法（CVD）準(zhǔn)備色譜純（99.9%）的乙醇溶液為碳源；將金屬箔放入電路的加熱區(qū)中央，密封反應(yīng)室；通入氬氣，流量為200ml/min，加熱反應(yīng)室溫度至1000?C；保持氬氣流量200ml/min不變，保溫一段時間，對金屬箔進(jìn)行高溫預(yù)熱處理；開啟精密流量泵，使反應(yīng)溶液通過毛細(xì)血管注入反應(yīng)室，溶液進(jìn)給速度為20ul/min，反應(yīng)時間為5min；反應(yīng)完畢，停止進(jìn)給反應(yīng)溶液，將金屬箔快速移動到爐口，關(guān)閉電路，保持氬氣流量為200ml/min，直至爐溫冷卻至300?C以下。操作步驟：石墨烯制備化學(xué)氣相沉積法（CVD）準(zhǔn)備色譜純（99.9%）的乙醇溶液為19用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，此方法簡單，但制得的石墨烯寬度一般在幾微米至幾十微米，甚至是毫米量級。

機(jī)械剝離法：石墨烯制備用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，此方法簡單，但20外延生長法：原理是在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出石墨烯晶體的方法，其原理是通過超低壓高真空、高溫加熱單晶SiC脫除Si，C原子重構(gòu)生成石墨烯片層。外延生長法：原理是在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出石墨烯21氧化還原法氧化還原法的機(jī)理是：1.將石墨進(jìn)行氧化處理，改變石墨層片的自由電子對，對其表面進(jìn)行含氧官能團(tuán)（如羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基）的修飾，這些官能團(tuán)可以降低石墨層片間的范德華力，增強(qiáng)石墨的親水性，便于分散在水中；2.將氧化石墨在水中剝離，形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯膠體；3.運用化學(xué)還原、熱還原和催化還原等方法將氧化石墨還原成石墨烯石墨烯制備氧化還原法氧化還原法的機(jī)理是：石墨烯制備22石墨烯應(yīng)用晶體管電化學(xué)電容器聚合物基石墨烯復(fù)合材料石墨烯石墨烯電子器件光學(xué)器件太陽能電池復(fù)合材料石墨烯紙鋰離子電池儲能材料石墨烯應(yīng)用晶體管電化學(xué)電容器聚合物基石墨烯復(fù)合材料石墨烯石墨23石墨烯應(yīng)用石墨烯在手機(jī)中的應(yīng)用2013年2月5日，諾基亞正式宣布成為石墨烯旗艦聯(lián)盟（GrapheneFlagshipConsortium）的一員，并從歐盟的未來與新興技術(shù)組織(FET)獲得了13.5億美元研究經(jīng)費，該經(jīng)費將用于石墨烯材料(Graphene)的研究。諾基亞對石墨烯材料的應(yīng)用設(shè)想為：1、提升現(xiàn)有手機(jī)的性能、降低成本，例如取代在液晶顯示器觸控面板中廣泛使用的透明ITO（氧化銦錫）導(dǎo)電層，以及用于其他高頻電子元器件中；2、在未來的概念手機(jī)設(shè)計中（如諾基亞一直在開發(fā)的柔性手機(jī)），將石墨烯應(yīng)用于線路板、柔性材料以及一體化多點感應(yīng)平臺。石墨烯使觸摸屏包含一層50納米厚的DLC防掛材料、一層700納米厚的聚對二甲苯涂層、一層200納米厚的石墨烯導(dǎo)電層、一層200微米厚的PET材料，整個觸摸屏厚度僅為0.2毫米。此外，諾基亞還計劃利用石墨烯研發(fā)觸覺反饋設(shè)備，當(dāng)手機(jī)屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片，觸摸屏幕時會有摸到絲綢的順滑感覺。石墨烯應(yīng)用石墨烯在手機(jī)中的應(yīng)用2013年2月5日，諾基亞正式24石墨烯是目前已知導(dǎo)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(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)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(jī)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(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，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。石墨烯應(yīng)用代替硅生產(chǎn)超級計算機(jī)石墨烯是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適25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。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良。由于氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。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；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。石墨烯應(yīng)用透明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26因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其它材料具有更優(yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽能電池，美國魯特格大學(xué)開發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù)，這是一種幾厘米寬、1-5mm厚的薄膜，石墨烯薄膜是一種單原子碳膜，可用于取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜晶體管。石墨烯運送電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作的更快、更省電。美國南加州大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制造出有機(jī)太陽能電池。石墨烯應(yīng)用用于太陽能電池因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其它材料具有更優(yōu)良的透光27研究成果2015年4月，全球首批量產(chǎn)石墨烯手機(jī)在重慶問世。圖為中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的科技工作者在展示可彎折的石墨烯觸摸屏（右）和首批量產(chǎn)的石墨烯手機(jī)。研究成果2015年4月，全球首批量產(chǎn)石墨烯手機(jī)在重慶問世。圖28石墨烯未來由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。曼徹斯特大學(xué)副校長ColinBailey教授稱：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和計算機(jī)芯片?！?013年初，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。[1]

微型石墨烯超級電容技術(shù)突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。當(dāng)前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。以后只需要常見的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上制造100多個微型石墨烯超級電容。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項目”，設(shè)立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。隨著研究的不斷深入，技術(shù)難題的接連攻克，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時代已為期不遠(yuǎn)，可以期待一下這一“21世紀(jì)的神奇材料”會帶來怎樣的驚喜。石墨烯未來由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家29石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，是C的另外一種同素異形體。石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元。例如，在計算石墨和碳納米管特性時，通常都是從石墨烯這個基本結(jié)構(gòu)單元出發(fā)的。石墨烯：基本結(jié)構(gòu)單元什么是石墨烯？石墨烯（英文名Graphene）是一種由C原子形成的蜂窩狀的30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(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨。1mm厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。石墨烯的來源？實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出31石墨烯介紹石墨烯介紹32碳─自然界萬事萬物中最重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的主要元素。碳材料包括活性炭、碳黑、碳纖維、金剛石、石墨。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，1985年由60個碳原子構(gòu)成的“足球”分子C60（富勒烯）被發(fā)現(xiàn)，1991年由石墨層卷曲而成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)：碳納米管被發(fā)現(xiàn)。2004年英國曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家AndreGeim和KonstantinNovoselov在用機(jī)械剝離發(fā)制備出石墨烯。發(fā)現(xiàn)歷程石墨、碳納米管、富勒烯是由單層石墨烯經(jīng)某種形變演變而來的碳─自然界萬事萬物中最重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的主要元331947年P(guān)hilipWallace研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)1956年J.W.McClure推到出相應(yīng)的波函數(shù)1960年LinusPauling曾質(zhì)疑過石墨烯的導(dǎo)電性1984年G.W.Semenoff得出與波函數(shù)方程類似的狄拉克方程1987年首席使用“graphene”指代單層石墨烯PhilipKim利用石墨在表面上畫寫，得到石墨薄片2004年AndreGeim和KonstantinNovoselov在實驗室用機(jī)械剝離法制備出石墨烯發(fā)現(xiàn)歷程發(fā)現(xiàn)歷程曲折的六十年1947年P(guān)hilipWallace研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)34理論物理學(xué)家認(rèn)為單層石墨烯不存在發(fā)現(xiàn)歷程早在1934年L.D.Landau和R.E.Peierls就指出準(zhǔn)二維晶體材料由于其自身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，在常溫常壓下會迅速分解1966年Mermin-Wagner理論指出表面起伏會破壞二維晶體的長程有序，因此二維晶體石墨烯只是作為研究碳質(zhì)材料的理論模型理論物理學(xué)家認(rèn)為單層石墨烯不存在發(fā)現(xiàn)歷程早在1934年L.D35可惜的一步之遙發(fā)現(xiàn)歷程美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的RodneyRouff層嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個簡單的辦法可后的石墨烯，但他沒有對產(chǎn)物做進(jìn)一步的檢測美國哥倫比亞大學(xué)的PhilipKim利用石墨制作了一個“納米鉛筆”，在一個表面上畫寫，并得到了石墨薄片，層數(shù)最低可達(dá)0層可以說，他們離石墨烯的發(fā)現(xiàn)只有一步之遙，諾貝爾獎的史冊極大可能匯銀他們的進(jìn)一步工作而改寫。但命運之神最終沒有眷顧他們?？上У囊徊街b發(fā)現(xiàn)歷程美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Rodne36AndreGeim和KonstantinNovoselov的諾貝爾獎發(fā)現(xiàn)歷程2004英國曼徹斯特大學(xué)AndreGeim和他的徒弟KonstantinNovoselov在實驗室用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從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。因此兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。AndreGeim和KonstantinNovoselo37AndreGeim和KonstantinNovoselovAndreGeim和KonstantinNovoselo38同AndreGeim和KonstantinNovoselov工作更接近的是美國喬亞理工學(xué)院的WaltdeHeer外延生長法石墨烯的研究。其在2010年11月17日寫信給諾貝爾獎委員會，并在一篇題為Elarydevelopmentofgrapheneelectronics的補(bǔ)充文章中詳細(xì)綜述了與石墨烯相關(guān)的研究，并提供了自己在2003年10月向美國自然科學(xué)基金委遞交的一份與石墨烯相關(guān)的基金申請書和200年申請的一項專利（Patternedthinfilmgraphitedevicesandmethodformakingsame,2006年獲批）發(fā)現(xiàn)歷程與碳納米管發(fā)現(xiàn)相似的插曲然而，科學(xué)史告訴我們：非常接近真理和真正懂得其意義是兩回事。每一項重要的理論都有可能曾被前人提出過。因此，一項開創(chuàng)性成果應(yīng)歸功于那些做出原創(chuàng)性成果并深刻認(rèn)識該工作重大意義的人。同AndreGeim和KonstantinNovosel39AndreGeim等人的又一發(fā)現(xiàn)2005年，在同一時期的Nature雜志上，蓋姆等人和菲利普·金小組同時證明單層石墨烯具有同理論相符的電子特性。這一點同碳納米管的發(fā)現(xiàn)又一次不謀而合。單壁碳納米管也是在朵壁碳納米管被發(fā)現(xiàn)兩年后于1993年被發(fā)現(xiàn)者本人Iijima和IBM小組成功制備出來的。發(fā)現(xiàn)歷程AndreGeim等人的又一發(fā)現(xiàn)2005年，在同一時期的N40石墨烯是指僅有一個原子尺寸厚的單層石墨層片，由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳-碳鍵長0.142nm。每個晶格內(nèi)有三個?鍵，連接十分牢固，形成了穩(wěn)定的六邊形狀。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，厚度為0.35nm,約為頭發(fā)直徑的二十萬分之一。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳原子間的連接極其柔韌。收到外力時，碳原子面發(fā)生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。碳六邊形石墨烯納米條帶在結(jié)構(gòu)上，石墨烯和碳納米管類比?？筛鶕?jù)邊緣碳鏈的不同可分為鋸齒形和扶手椅型。鋸齒形和扶手椅型的石墨烯納米條帶呈現(xiàn)不同的電子傳輸特性。鋸齒形石墨烯條帶通常為金屬型；而扶手椅型石墨烯條帶則可能為金屬型或半導(dǎo)體型。2結(jié)構(gòu)與性能鋸齒型扶手椅型石墨烯是指僅有一個原子尺寸厚的單層石墨層片，由sp2雜化的碳41石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。理論和實驗結(jié)構(gòu)表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透光率為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一次相差2.3%，因此可根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數(shù)。即石墨烯的透光性與其厚度相關(guān)，與波長無關(guān)。結(jié)構(gòu)與性能光學(xué)性能另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一個臨界值時，石墨烯對其的的吸收會達(dá)到飽和，這一非線性光學(xué)行為稱為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強(qiáng)光輻照下，由于其寬波吸收和零帶隙的特點，石墨烯會慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué)，如光纖激光器。石墨烯的透光性石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。理論和實驗結(jié)構(gòu)表明，單層石墨烯吸收42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（抗拉強(qiáng)度）為42N/M2。力學(xué)性能普通鋼的強(qiáng)度極限大多分布在250~1200MPa范圍內(nèi)，即0.25?109~1.2?109N/m2。如果鋼具有同石墨烯一樣的厚度（約0.335nm），則可推算出其二維強(qiáng)度極限0.084~0.40N/m。由此可知，理想石墨烯的強(qiáng)度約為普通鋼的100倍。研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。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100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。結(jié)構(gòu)與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43電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)2?105cm2/（V·s）,約為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達(dá)106S/m,石墨烯的面電阻約為31?/sq，是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料。石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道電子形成大∏鍵，∏電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強(qiáng)，常溫下，及時周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子收到的干擾也小。結(jié)構(gòu)與性能電學(xué)性能電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)2?105cm2/44熱學(xué)性能①單層石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k,比碳納米管的而傳

導(dǎo)率3000-3500Wm·k還要高，相比之下，工業(yè)界中被廣泛使用的散

熱材料金屬銅的熱傳導(dǎo)率只有400Wm·k

②隨著石墨烯層數(shù)的增加，其熱傳導(dǎo)率逐漸下降；當(dāng)石墨烯從2層增

至4層時，其熱導(dǎo)率從2800Wmk降低至1300Wmk；當(dāng)層數(shù)達(dá)到5-8

層，減小到石墨的熱導(dǎo)率③單層石墨烯的導(dǎo)熱率與片層寬度、缺陷密度和邊緣的無序性密切

相關(guān)④在室溫以上，導(dǎo)熱率隨著溫度的增加而逐漸減?、菔┢瑢友仄侥攴较?qū)峋哂懈飨虍愋缘奶匦?。結(jié)構(gòu)與性能熱學(xué)性能①單層石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k,比碳451.化學(xué)氣相沉積法2.機(jī)械玻璃法3.外延生長發(fā)4.氧化還原法石墨烯制備制備方法1.化學(xué)氣相沉積法石墨烯制備制備方法46化學(xué)氣相沉積法（CVD）碳源：有機(jī)氣體（如甲烷、乙烯等）、液體

（乙醇）或固態(tài)（樟腦、蔗糖）基底：金屬箔（銅箔、鎳箔等）反應(yīng)裝置：電阻爐（如圖）（原理：將有機(jī)氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機(jī)氣體脫氫在基底表面形成石墨烯石墨烯制備化學(xué)氣相沉積法（CVD）碳源：有機(jī)氣體（如47化學(xué)氣相沉積法（CVD）準(zhǔn)備色譜純（99.9%）的乙醇溶液為碳源；將金屬箔放入電路的加熱區(qū)中央，密封反應(yīng)室；通入氬氣，流量為200ml/min，加熱反應(yīng)室溫度至1000?C；保持氬氣流量200ml/min不變，保溫一段時間，對金屬箔進(jìn)行高溫預(yù)熱處理；開啟精密流量泵，使反應(yīng)溶液通過毛細(xì)血管注入反應(yīng)室，溶液進(jìn)給速度為20ul/min，反應(yīng)時間為5min；反應(yīng)完畢，停止進(jìn)給反應(yīng)溶液，將金屬箔快速移動到爐口，關(guān)閉電路，保持氬氣流量為200ml/min，直至爐溫冷卻至300?C以下。操作步驟：石墨烯制備化學(xué)氣相沉積法（CVD）準(zhǔn)備色譜純（99.9%）的乙醇溶液為48用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，此方法簡單，但制得的石墨烯寬度一般在幾微米至幾十微米，甚至是毫米量級。

機(jī)械剝離法：石墨烯制備用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，此方法簡單，但49外延生長法：原理是在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出石墨烯晶體的方法，其原理是通過超低壓高真空、高溫加熱單晶SiC脫除Si，C原子重構(gòu)生成石墨烯片層。外延生長法：原理是在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出石墨烯50氧化還原法氧化還原法的機(jī)理是：1.將石墨進(jìn)行氧化處理，改變石墨層片的自由電子對，對其表面進(jìn)行含氧官能團(tuán)（如羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基）的修飾，這些官能團(tuán)可以降低石墨層片間的范德華力，增強(qiáng)石墨的親水性，便于分散在水中；2.將氧化石墨在水中剝離，形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯膠體；3.運用化學(xué)還原、熱還原和催化還原等方法將氧化石墨還原成石墨烯石墨烯制備氧化還原法氧化還原法的機(jī)理是：石墨烯制備51石墨烯應(yīng)用晶體管電化學(xué)電容器聚合物基石墨烯復(fù)合材料石墨烯石墨烯電子器件光學(xué)器件太陽能電池復(fù)合材料石墨烯紙鋰離子電池儲能材料石墨烯應(yīng)用晶體管電化學(xué)電容器聚合物基石墨烯復(fù)合材料石墨烯石墨52石墨烯應(yīng)用石墨烯在手機(jī)中的應(yīng)用2013年2月5日，諾基亞正式宣布成為石墨烯旗艦聯(lián)盟（GrapheneFlagshipConsortium）的一員，并從歐盟的未來與新興技術(shù)組織(FET)獲得了13.5億美元研究經(jīng)費，該經(jīng)費將用于石墨烯材料(Graphene)的研究。諾基亞對石墨烯材料的應(yīng)用設(shè)想為：1、提升現(xiàn)有手機(jī)的性能、降低成本，例如取代在液晶顯示器觸控面板中廣泛使用的透明ITO（氧化銦錫）導(dǎo)電層，以及用于其他高頻電子元器件中；2、在未來的概念手機(jī)設(shè)計中（如諾基亞一直在開發(fā)的柔性手機(jī)），將石墨烯應(yīng)用于線路板、柔性材料以及一體化多點感應(yīng)平臺。石墨烯使觸摸屏包含一層50納米厚的DLC防掛材料、一層700納米厚的聚對二甲苯涂層、一層200納米厚的石墨烯導(dǎo)電層、一層200微米厚的PET材料，整個觸摸屏厚度僅為0.2毫米。此外，諾基亞還計劃利用石墨烯研發(fā)觸覺反饋設(shè)備，當(dāng)手機(jī)屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片，觸摸屏幕時會有摸到絲綢的順滑感覺。石墨烯應(yīng)用石墨烯在手機(jī)中的應(yīng)用2013年2月5日，諾基亞正式53石墨烯是目前已知導(dǎo)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(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)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(jī)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(lǐng)域