石墨烯研究背景 .pdfVIP

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开题报告

一，课题的研究背景和意义

碳元素（Carbon）可以说是世界上存在最为广泛的元素之一，有

着多种多样的存在形式。自纳米材料兴起以来，纳米碳材料一直是科

学家所研究的热点。继1985年发现富勒烯、1991年发现碳纳米管之

[1]

后，两位英国科学家Andre·Geim和KonstanitinNovoselov于2004

年采用微机械法得到单层石墨烯，并以此得到了2010年诺贝尔物理

学奖。石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维碳材料。这种

碳材料仅有一个碳原子的厚度，有着良好的结晶度，且异常稳定，由

于其特殊的结构而产生了许多优异的性能，其巨大的应用潜力引起了

人们的强烈关注，也引发了一股研究热潮。

由于其独特的单原子结构，石墨烯具有许多特异的光、电、热、

力学性能。石墨烯密度低，是一种超轻材料；石墨烯具有优异的光学

性能，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%，是一种

高度透明的材料；π电子在石墨烯片内传输时不易发生散射，迁移率

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可达200000cm/（V·s），电导率可达10S/m，面电阻约31Ω/sq，

是室温下导电性最佳的材料；石墨烯的抗拉强度为125GPa，弹性模

量为1.1TPa，强度极限为42N/㎡，理想的石墨烯强度是钢的100倍，

可作为一中典型的填料相应用于复合材料领域；室温下，石墨烯的导

2

热率约为5000W/m·K，石墨烯的比表面积高达2630m/g，将其制成

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微型传感器之后，可用于感应单个原子或分子。同时，石墨烯也是一

种高吸附材料。

石墨烯的性能优异，可应用于多种领域，具有巨大的应用潜力。

但目前石墨烯的质量和尺寸制约了其在应用中的发展，高质量，大面

积，低成本的制备工艺仍是横亘在石墨烯广泛应用之前的一块巨石。

目前石墨烯的制备方法[9-12]主要有微机械剥离法，氧化石墨还原法，

SiC外延生长法，化学气相沉积法等方法。微机械剥离法通过胶带连

续剥离高定向热解石墨来获得石墨烯，制得的石墨烯面积和产量都有

限，不具备大规模生产的要求；氧化石墨还原法以石墨为原料通过氧

化处理，超声分离，再将分离后的氧化石墨烯还原得到石墨烯，但在

剧烈的氧化还原过程中会导致石墨烯的一些物理化学性能的缺失，所

制得的石墨烯尺寸也很小；SiC外延生长法通过加热单晶SiC脱除Si，

在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。其厚度取决于加热温度，制

备大面积且厚度均匀的石墨烯较困难；化学气相沉积法通过将碳氢气

体吸附与具有催化活性的非金属或金属表面，通过加热使碳氢气体在

衬底表面形成石墨烯。此方法在制作大面积石墨烯方面颇具潜力，也

是最有希望应用于微电子技术的方法。

二，研究的基本内容，方法及存在的问题

[14,15,16]

CVD方法是上世纪60年代发展起来的一种制备高纯度、高

性能固体材料的化学过程,早期主要用于合金刀具的表面改性,后来

被广泛应用于半导体工业中薄膜的制备,如多晶硅和氧化硅膜的沉

积。CVD法制备石墨烯早在20世纪70年代就有报道,但直至2008

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[2]

年才首次真正意义上制备出大面积少层数石墨烯。最早人们在Ni

衬底表面制备石墨烯，后来发现Ni对碳氢气体的催化能力和碳的固

溶比较高，所生长的石墨烯尺寸较小，层数无法控制，厚度也不均匀