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1、石墨烯的制备及应用研究的进展毕业论文目 录摘 要1Abstract2前 言3第一章 石墨烯的结构与性质51.1 石墨烯的结构51.2 石墨烯的性质51.2.1石墨烯的电学性质61.2.2室温下的量子霍尔效应61.2.3表面性质的尺寸效应6第二章 石墨烯的制备以及改性方法82.1 制备方法82.1.1微机械剥离法82.1.2化学气相沉积法82.1.3表面外延生长法92.1.4氧化石墨还原法92.1.5电化学法102.1.6淬火法102.1.7原位自生模板法102.2 石墨烯的改性112.2.1石墨烯的表面改性112.2.2制备聚合物基复合材料12第三章 石墨烯的应用领域143.1 石墨烯在分析科
2、学上的应用143.1.1基于石墨烯的样品前处理技术143.1.2石墨烯在荧光分析中的应用153.1.3石墨烯在质谱分析中的应用153.2 石墨烯在纳电子器件方面的应用163.3 石墨烯材料在电化学领域中的应用163.3.1在锂离子电池中的应用163.3.2在超级电容器中的应用183.4 石墨烯其它的潜在应用18第四章 展望20参考文献22致 谢25 .专业.专注. 摘 要石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。自从2004年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量
3、的建设性创意，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。本文首先从石墨烯的发现入手，之后对其结构和性质进行了简单的概述，并对石墨烯的改性、制备以及应用等方面进行了综述，最后对其在未来的发展前景进行了展望。关键字：石墨烯；制备；改性；应用；展望AbstractGraphite surfaces is currently the only discovery existing 2 d free state at
4、omic crystal, it is building zero d fullerenes, a d carbon nanotubes,3 d body in the hybrid carbon graphite sp2 the basic structure of unit, have a lot of strange electronic and mechanical properties. Since 2004 years since its discovery, the researchers for such materials in the future technology r
5、evolution put forward a lot of constructive ideas, graphite surfaces is considered to be the future of silicon can take the place of a new electronic materials. Graphite surfaces is only one atom thick the crystals, ultra-thin, super strong and have strong character such as conductivity, its excelle
6、nt electrical, thermal and mechanical properties, in nano electronic components, energy storage material, photoelectric material potential application value caused the scientific community a new carbon boom. In this paper, the discovery of graphite surfaces of the structure and properties after a br
7、ief overview, and the modification of graphite surfaces, the preparation and application of opposite were summarized, finally, the development in the future was prospected.Keywords:Graphene;preparation;Modified;Application;prospect前 言近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。随着研究的不断深入，碳纳米材料在人类生产和生活中
8、正显示出越来越多的不可替代的重要作用。目前，碳纳米材料已从富勒烯和纳米管扩展到纳米角、石墨烯直至最近刚刚出现的石墨炔等一系列新材料，极大地推动纳米科学的繁荣。作为纳米科学最为活跃的研究领域之一，碳纳米材料在纳米科学的快速发展方面起到了很大推动作用。其中，20世纪80年代以来发现的富勒烯、纳米管和石墨烯等碳纳米材料作用尤为突出。本文主要介绍的就是石墨烯这种新型的材料。科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，用普通胶带完
9、成了他们的“魔术”。他们用胶带从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是他们的首创。在此之前就有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈K海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原
10、子构成他们制得了石墨烯。石墨烯2004年被发现，是近几年飞速发展起来的一种碳纳米材料，是迄今为止世界上强度最大的材料，也是世界上导电性最好的材料。它具有超薄、强韧、稳定、导电性好等诸多现有材料无法比拟的优点，可被广泛应用于军事、计算机、微电子等各领域比如超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料等，也被业人士喻为半导体的终极技术。另外，石墨烯材料还是一种优良的改性剂，运用于在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面。虽然石墨烯发现不足10年，但目前已步入研究的黄金时期。石墨烯被称为21世纪的“神奇材料”，自被发现开始就广受关注，尽管如此，石墨烯未来发展还具有很大的不确定性，因为，它存在一个非常严峻的问题石墨
11、烯目前还处于研发阶段，尚没有出现产业化动向，整个产业链也没有形成。要真正大规模应用，还需要经过相当长的科研。有关专家表示，虽然石墨烯的应用前景可观，但是就目前情况来看，预计在未来810年无法形成产业化。鉴于石墨烯的诸多优点、未被开发出来的潜力和在未来发展中占有的重要地位。本文对石墨烯的性质应用等方面进行了综述，以期望对科学研究者们提供一些理论依据，奉献自己的一份绵薄之力。第一章 石墨烯的结构与性质1.1 石墨烯的结构石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅，石墨烯的结构如(图1-1)1所示，是由碳原子六角结
12、构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。它可以包裹形成0维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管，同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定2。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小3。 图1-1单层石墨烯及派生
13、物示意图1.2 石墨烯的性质目前已报道的石墨烯的异常性质有氏模量，大概为l.100 GPa，断裂强度为125 GPa，热传导系数为大约5.000 W/m.K，载流子迁移率为200.000 cm2/v.s4，比表面积理论值为2.630 1112/ g5 1.2.1石墨烯的电学性质 从石墨烯的能带结构我们可知，石墨烯是一种零带隙材料。即使在室温条件下，电子和空穴都可以连续共同存在，载流子浓度可以高达1013 cm-3，迁移率可以超过200,000 cm2/vs。 此外，迁移率微弱依赖于周围的温度T，在300 K的时测得的迁移率值受到杂质散播的限制，实际通过改变温度还有提高的余地。在高掺杂半导体中，
14、一些半导体在室温下的迁移率 高达77,000 cm2 /vs，当石墨烯进行高浓度掺杂时，同样会有更高的迁移率。薛定谔方程能够足以描述材料的电子特性，在石墨烯粒子中的电荷传导更容易由狄拉克方程描述，因此这给凝聚态物理和量子电动力学之间提供了一个桥梁。 1.2.2室温下的量子霍尔效应 量子霍尔效应是量子力学中一个非常重要的效应，它一般只发生在微小的尺度上。这个效应通常在非常低的温度才能观察到，这个温度一般要低于液体氦的沸点，人们常采用含有较小有限质量的半导体来扩大量子霍尔效应的温度围，但目前所能达到的温度也在30 K以下。这个在低温、高磁场下二维金属电子气体中发现的效应，已经阐明了许多重要的量子力
15、学的问题。然而，最近，已被观察到石墨烯在室温下的量子霍尔效应，因为它室温下的弹道运输性质以及化学和机械学的稳定性。石墨烯中的载流子就像无质量的迪拉克费米子一样，它有着非比寻常的特性，在周围的环境中，载流子迁移时很少发生散射，从而开辟了新的以石墨烯为基础阻抗标准和较高温度下的新型量子器件工作研究，成为一种在日后应用中很有希望的候选材料。 1.2.3表面性质的尺寸效应 当颗粒的尺寸进入纳米级别之后，纳米材料将具有一些宏观材料所不具备的一些性质，这些性质比较特别，我们常称为小尺寸效应。近几年来的研究发现已经存在单原子层厚的二维的金属膜，同时这些膜的厚度还可以采用不同的手段进行非常精确的控制。这些金属膜中存在很多奇特的性质，比如超导温度和表面的化学反应特性都会随单原子层厚度变化呈现出振荡现象。但是这些金属膜只有在非常低温度下才能稳定存在，所以其广泛应用的前景大为受限。 最新的研究表明，在石墨烯表面蒸镀其它的原子，其
