readme tian sen :石墨烯应用部分前五个可以适当删除。
1综述石墨烯
2石墨烯的制备方法3石墨烯的特性
1、 石墨烯简介1、石墨烯定义
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
2、石墨烯研究历史
实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
石墨烯在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产
的领域已为时不远了。因此,在随后三年内, 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。
石墨烯是富勒烯(0维)、碳纳米管(1维)、石墨(3维)的基本组成单元,可以被视为无限大的芳香族分子。
二、制备方法 1、 撕胶带法
发现石墨烯使用的方法
2、机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单,得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构,但是得到的片层小,生产效率低。
3、氧化还原法是通过将石墨氧化,增大石墨层之间的间距,再通过物理方法将其分离,最后通过化学法还原,得到石墨烯的方法。这种方法操作简单,产量高,但是产品质量较低。
4、SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯,但是这种方法对设备要求较高。
5、CVD化学气相沉淀,利用甲烷等含碳化合物作为碳源,通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯。是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点,但现阶段成本较高,工艺条件还需进一步完善。
三、石墨烯特性
1、最薄:石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度为一个原子层。石墨烯是已知的世上最薄的纳米材料。
2、最坚硬:碳原子之间由σ键连接,结合方式为sp2杂化,这些σ键赋予
了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍,甚至还要超过钻石。
3、导电性:在石墨烯中,每个碳原子都有一个未成键的p电子,这些p电子可以在晶体中自由移动,且运动速度高达光速的1/300,赋予了石墨烯良好的导电性。常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
4、石墨烯的线性光学性质
单层石墨稀对光的吸收率达到了 2.3%,对于多层石墨炼片,可以看做单层石墨烯的简单叠加,每一层的吸收是恒定不变的,随着层数的增加,吸收也线性增长。
5、石墨烯的非线性光学性质
当入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时,石墨烯内电子云相对于原子核的位置发生偏移,并产生极化,由此导致了石墨烯的非线性光学性质。6、石墨烯的饱和吸收特性
由于石墨烯具有超宽的光谱工作范围,飞秒级超快电子弛豫时间( ~150fs),高的热损伤阈值等特点,使其成为备受关注的新型可饱和吸收体材料。
四、石墨烯应用
1 传感器
石墨烯的二维结构(二维结构是指原子或离子集团中的原子或离子具有在空间沿二维方向的正、反向延伸作有规律排布的结构)使得它在层状材料中的比表面积最大,表面部位与体相间无区别,这对高明敏感性必不可少,这种材料已成为其它纳米材料传感器实施背后的主要推动力。超高比表面与奇异电子性质的结合意味着石墨烯上任何分子的破坏都容易检测到,石墨烯导向的传感器检测表面上下的单个分子很敏感。二维石墨烯的获得使设计和制备石墨烯导向的电极并使其运用在电化学传感器和生物传感器中成为可能。
2电化学催化
石墨烯基材料的电催化作用来自两个不同途径。一方面,石墨烯或其衍生物自身有极好的催化性质。石墨烯显著的快速电子传递功能和活泼的电催化作用主要是由于出现在垂直石墨烯纳米片最后的类似于热解石墨边缘平面的边缘面/缺陷。另一方面,在石墨烯上沉积无机金属,尤其是贵金属纳米颗粒,形成石墨烯衍生物,由于贵金属纳米颗粒有着极好的催化活性,因此形成的石墨烯衍生物呈现出新的电催化性质。
3电化学发光
电化学发光是一种通过电化学激发反应产生化学发光的现象。电化学发光传感器中石墨烯的
超高导电性质能有效地促进电子转移。当石墨烯进入传感器平台,它可以充当发光团和电极之间的通路。而且,石墨烯的引入可以提高平台的表面积和孔隙率,这可以使共反应物扩散得更快。
4能量存储装置
石墨烯和石墨烯基材料导电性好、比表面积高、透明度高、电位窗口宽,因此,它们成为能量转换装置中一种极有前途的电极材料。石墨烯基材料电极的优点已在与能量相关的电化学装置的应用中得到证明,如锂电池(LIBs)、太阳能电池、超级电容器等。
5 场效应晶体管
场效应晶体管(Field Effect Transistor FET是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件)在大规模、灵活、低成本电子学中有潜在的应用,因而在过去的数十年中已引起研究者们的注意。
场效应晶体管靠电场效应运作,这种电场效应是一种类型的电荷载流子(电子或空穴)通过单一类型的半导体金属(例,一个“导电通道”)从源头到通道的流动产生。石墨烯本质上是半金属或零带隙半导体、具有很高的载流子迁移率, 电子在石墨烯中的传导速度比硅快很多, 而且不受温度的影响,这些优异的结构、电子和物理性质实现了石墨烯在场效应晶体管中的直接应用。6、淡化海水
研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。
7、太阳能电池
石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍。
8、单分子气体侦测
当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够侦测这微小的电阻变化。
9、超级电容
由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。
10、透明导电电极
石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔
韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。