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石墨烯复合薄膜的制备和性能研究 无机1101 郭淑婧 3110703005 摘要：石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定，以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文介绍了石墨烯复合薄膜的制备和性能研究。基于石墨烯的复合材料业已成为石墨烯应用领域中的重要研究方向。 关键词：石墨烯 复合材料 制备 性能 0 引言 2004年，Geim和Novoselov用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯，并因此获得年诺贝尔物理学奖石墨烯具有高的热导率力学性能电荷迁移率大的比表面积以及独特的量子霍尔效应等许多优异的物理化学性质其在催化剂载体储能材料阻燃材料电极材料传感复合材料等领域具有广泛的应用前景，因而受到研究者的广泛关注 图1 石墨烯原子结构示意图 石墨烯首先就是从石墨上剥离出来的，可以简单的看成是石墨矿物的单层石墨片层，具有由sp2杂化的碳原子紧密排列得到的蜂窝状晶体结构，其中的C-C键长约为0.142nm。每个晶格内有三个σ键，由单个碳原子与邻近的三个碳原子通过sp2杂化轨道相互重叠形成，三个轨道夹角均为120°，呈平面正三角形。碳原子余下的Pz轨道垂直于sp2杂化方向重叠形成大π键，其中的电子可以再石墨烯片层上运动，这是石墨烯具有优良导电特性的关键。石墨烯根据边缘碳链的不同也可分为锯齿性和扶手椅型(如图1)，不同的碳链类型呈现出不同的电子传输特性，前者表现出金属性质，而后者除金属性质外还可能呈现类似半导体的性质。 1.2 石墨烯的性能 得益于特殊的结构，石墨烯拥有与众不同的性能，除高达2600m2/g的理论比表面积外，其在电学、力学、热学和光学方面的性能同样引人注目。 1.2.1 电学性能 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，每个碳原子分别贡献一个未成键p轨道上的电子，形成与平面垂直的大π键，呈半填满状态，π电子可在二维晶体内部自由移动，从而赋予石墨烯良好的导电性。得益于原子间较强的相互作用力，即使在常温下周围的碳原子发生挤撞，石墨烯中电子所受的干扰也很小，这保证了电子在石墨烯的结构中传输时不易发生散射，能够以光速的1/300 的速率移动，具有相对论粒子特性，即使在由电场所引起的非平衡载流子 浓度较高的情况下，仍可保持良好地迁移率，迁移率可达2×105cm2/(V·s)，且单层石墨烯中的载流子迁移速率受温度变化及化学掺杂的影响很小，载流子在石墨烯中的传输呈现 100%的两字隧道效应，这是石墨烯极高载流速率的来源。石墨烯的电导率可达106S/m，面电阻约为 31?/□，是室温下导电性最佳的材料，当载流子密度为零时，石墨烯的电导并不为零，而是存在一个极小值e2/h，这表明石墨烯具有永不消失的电导率的特性。此外，石墨烯是一种典型的半金属，其导带与价带之间有一小部分重叠，价带顶部的电子无需激发就可流入能量较低的导带底部。 室温下电子在石墨烯中的传输呈现半整数量子霍尔效应，石墨烯中的载流子表现为零质量的狄拉克费米子，在狄拉克点存在一个朗道能级，当费米能及穿过狄拉克点时，出现霍尔电导平台的量子跃迁。霍尔电导平台出现在±4e2/h(N+1/2)处，其中N为朗道能级指数，表现出半整数的量子霍尔效应。石墨烯的导电性可以通过化学改性的方法来进行调节，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。例如，在不破坏石墨烯晶格结构的情况下碳原子键合一个氢原子，即可将石墨烯转变为绝缘的石墨烷，而双层的石墨烯在特定条件下也可表现出绝缘性，如在其垂直方向施加电场，锁住电子在平面内的运动则此时平面方向就会产生巨大的电阻。 1.2.2 热学性能 碳材料一直有着优良的导热率，金刚石是己知自然界中热导率最高的材料。而早在石墨烯发现以前的2000年，S. Berber 就通过理论计算得出了某些低温碳纳米材料可能具有优异的导热性能，并且预言单原子层的石墨其热导率可达7000W/mK。而在实验方面，A. A. Balandin等人于2008年利用非接触光学技术测得悬空石墨稀的热导率介于(4.84±0.44)×103 至(5.30±0.48) ×103 W/mK 之间，再次证实了石墨烯具有超高的热导率。此外，J.H. Seol等人测得石墨烯热导率为6000~7000W/mK。由于这个数值是通过测量以SiO2薄膜作为衬底所制备的石墨烯在蚀刻去除衬底前后的热阻变化所得，质与衬底声子的散射及石墨稀与周围环境气体发生了热交换可能对结果产生影响。Y. Xu和D. L. Nika等人也通过理论模拟得到了石墨稀纳米带的热导率与带长、带宽、应力和边界的依赖关系，预示了石墨烯具有反常的热输运性质，其导热性由声子传输为主导，包括高温下的扩散传到和低温下的弹道传导。 1.2.3 力学性能 石墨烯中的每