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石墨烯 —世界上最薄最坚硬的纳米材料 目录 石墨烯发现及简介 石墨烯特性 石墨烯制备及产业化 石墨烯利用前景 石墨烯对人类和环境的潜在影响 石墨烯发现及简介 石墨烯（Graphene） 由碳原子以sp2杂化轨道组成 由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网 六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 一个碳原子厚度 二维材料 基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯发现及简介 A K Geim K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007) 石墨烯发现及简介 富勒烯 纳米管 石墨 单层石墨烯 翘曲成零维 卷成一维 堆垛成三维 石墨烯发现及简介 A K Geim K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007) 石墨烯特性 强度高 电阻率低 导热系数高 透光性好 room-temperature electron mobility of 2.5 × 105 cm2 V−1 s−1 a Young’s modulus of 1 TPa and intrinsic strength of 130 GPa very high thermal conductivity ，above 3000 W mK−1 optical absorption of exactly πα ≈ 2.3% complete impermeability to any gases ability to sustain extremely high densities of electric current Readily chemically functionalized K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012) 几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光 制成厚度相当塑料包装袋厚度的薄膜，能承受两吨重物 电子迁移速率快，达到光速的1/300 导热系数高达；导热系数高达5300 W/（m·K） 结构稳定 外部机械力使碳原子面弯曲，原子不必重新排列来适应外力 石墨烯特性 双电极电场效应 手性量子霍尔效应 石墨烯电学性能 A K Geim K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007) 石墨烯制备及产业化 液相剥离（Liquid-phase exfoliation）：将少量的石墨分散于具有表面张力的溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。质量高、产率低。 化学气相沉积（Chemical vapor deposition，CVD）：以单晶镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，其在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。成本高、工艺复杂。 SiC合成法（Synthesis on SiC）：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的SiC在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物，然后使样品升温至1000℃以上，Si升华形成石墨烯。成本高、操作温度过高。 石墨烯制备及产业化 机械分离（Mechanical exfoliation）：最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，如用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。产率低、仅供实验研究。 氧化还原（Oxidation-reduction）：将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，然后加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。宏量制备产生废液污染、石墨烯品质不高存在缺陷。 取向附生（Epitaxy）：让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却到850℃，之前吸收的大量碳原子就会“浮”到钌表面，镜片形状的单层碳原子“ 孤岛” 布满整个基质表面，最终生长成完整的一层石墨烯。成本高、厚度不均匀。 石墨烯制备及产业化 K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012) 石墨烯利用前景 电子器件 光学器件 能量产生和储存 计量和感应器 生物学应用 其它用途 石墨烯利用前景 K S