石墨烯纳米材料重点.ppt

LOGO * Chiral 手性 zig-zag 锯齿形 armchair 扶手椅 * * AFM是原子力显微镜 * 碳的同素异形体： 零维（石墨稀量子点（GQDs），富勒烯） 一维（碳纳米管，石墨稀纳米带） 二维（石墨稀） 三维（石墨，金刚石） 悬挂键 ：一般晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键。 当石墨烯片具有有限的面积时,便形成了零维的石墨烯量子点,这种量子点可以具有不同的几何形状，如矩形，三角形和六边形等形状的量子点,这几种量子点的边界可以完全是锯齿型或扶手椅型。 富勒烯：任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。 富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环 石墨稀的结构 石墨稀又称单层石墨（目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形蜂窝状的二维晶体，它可以包裹起来形成富勒烯，纳米管或堆叠成三维石墨。 热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。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。 1.光学特性 石墨烯的特性 2008年，Nair发现石墨烯在近红外和可见波段具有极佳的光透射。他们将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在十几个μm量级的孔洞上，发现单层石墨烯的透光率可达97.7%，高度透明，而且透光率随层数的增加呈线性减少的趋势。 2.力学性质 石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，强度却是钢材的100倍。 如果用一平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。 石墨烯强度高，可与金刚石媲美。实测抗拉强度和弹性模量分布为125GPa和1.1GPa。 同时具有良好的柔韧性，可弯曲。 3.热学性质 1.石墨烯的导热率高达5300W/mK，是室温下铜的热导率的10倍多，比金刚石的热导率要高，和碳纳米管的热导率相当； 2.石墨烯片层沿平面方向导热具有各向异性； 3.导热率随温度的增加而逐渐减少； 4.随着石墨烯层数的增加，热导率逐渐降低，当层数达到5-8层以上，减少到石墨的热导率值。 4.电学性质 其电导率可达106S/m，是室温下导电率最佳的材料。 二、石墨烯的合成与制备 制备方法 物理法： 微机械剥离法、取向附生法 、液相和气相直接剥离法、碳纳米管剪切法。 化学法： 化学氧化还原法、化学气相沉积法、化学溶液直接剥离法、SiC高温分解法、PMMA碳化法、有机合成法。 1、机械剥离法： 机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法,主要通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层。早期的机械剥离法所制得的石墨薄片通常含有几十至上百个片层,随着技术方法的改进,逐渐可以制备出层数为几个片层的石墨薄片。 机械剥离法被广泛用于石墨烯片层的制备,特别在石墨烯的一些光学、电学性能研究中,一般均以机械剥离法作为主要的制备方法。与其他方法相比较，机械剥离法是最简单的方法，对实验室条件的要求非常简单，并且容易获得高质量的石墨烯。 但制备的石墨烯薄片尺寸不易控制、重复性差，产率较低,而且难以规模化制备单层石墨烯。 2、外延生长法 外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，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。? ? 金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。 三、石墨烯的表征——拉曼光谱（Raman） 石墨烯的拉曼光谱由若干峰组成，主要为G峰，D峰以及G’峰。 514nm激光激发下单层石墨烯的典型拉曼光谱 由图，G峰是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面内振动引起的，出现在1580cm-1附近，该峰能有效反映石墨烯的层数；D峰被认为是石墨烯的无序振动峰，它是由于晶格振动离开布里渊区中心引起的，用于表征石墨烯样品中的结构缺陷或边缘；G’峰是双声子共振二阶拉曼峰