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石墨烯材料

石墨烯的概念

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型炭质材料，是自然界已知材料碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质,从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。而二维碳基材料石墨烯的发现,不仅极大地丰富了碳材料的家族,而且其所具有的特殊纳米结构和性能,使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方而都已展示出了重大的科学意义和应用价值,从而为碳基材料的研究提供了新的目标和方向。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型炭质材料，是自然界已知材料

把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。这种二维材料保持了近乎完美的晶体结构和中最薄的一种材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米（一个原子的直径，10的-10次方）

把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。这种二维材料保持了近乎完美的晶体结构和

优异的晶体学性质，蕴含了丰富而新奇的物理现象，具有重要的理论研究和应用价值。石墨烯的特性

1．稳定性

石墨烯结构稳定：石墨烯中碳原子均由共价键相连，共价键的键能是相对比较高的，相对于分子间作用力、氢键、金属键等，共价键不易被破坏。由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键，其C-C键的强度要高于金刚石的单键，我们也可以从热力学的角度看到石墨的熔点为3850℃左右，金

刚石的熔点仅为3550℃左右，不难发现，石墨比金刚石更加稳定。2．导电性

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯的导电机理：由于石墨烯所有原子均参与了离域，所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共价单键的稳定性，石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换，保证了大π键的完整性，电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰，得以高速传导，因此石墨烯有着超强的导电性。

透明性与不透明性

由于石墨烯是单薄片状态的，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，当几个石墨烯分子层叠加在一起时，由于碳原子核排列有序，光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。

尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

机械特性

石墨烯之所以硬，是因为碳原子或的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，碳

原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的，就是说，石墨烯表面上立的或排列的都是原子核，如果外部物质与它撞击，撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上，所以，石墨烯表面显示的非常硬。

石墨烯的制备方法

微机械剥离法

2004年,Geim等首次用微机械剥离法,成功地从高定向热裂解石墨上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌,揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。2007年Meyer等发现单层石墨烯表面有一定高度的褶皱,单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯,且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小。从热力学的角度来看,这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能,由二维向三维形貌转换,进而可

推测石墨烯表面的褶皱可能是二维石墨烯存在的必要条件,石墨烯表面的褶皱对其性能的影响有待科学家进一步探索。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯,但存在产率低和成本高的不足,不满足工业化和规模化生产要求,目前只能作为实验室小规模制备。

化学气相沉积法

CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉,通入含碳气体,例如,碳氢化合物,它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。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×106S/m,成为目前透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯,但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵,这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求,但成本较高,工艺复杂。

氧化-还原法

目前,氧化-还原法以其低廉的成本且容易实现规模化的优势成为制备石墨烯的最佳方法,而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯,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。氧化-还原法