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1、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
2、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 V1 s1 a Youngs modulus of 1 TPa and
3、intrinsic strength of 130 GPa very high thermal conductivity ，above 3000 W mK1 optical absorption of exactly 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
4、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/（mK）,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，
5、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
6、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
7、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,石墨烯利用前景,K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012),Graphene electronics,中等品位的石墨烯：触屏、可折叠电子纸、可折叠有机发光二极管（LED灯） 高品位的石墨烯：高频晶体管、逻辑晶体管、薄膜晶体管,石墨烯利用前景,石墨烯利用前景,K S Novoselov et al. Natur
8、e 490, 192-200 (2012),Photonics,光学偏振控制器、光电探测器、光调制器、锁模激光、太赫兹发生器等,石墨烯利用前景,Energy generation and storage,supercapacitor,超级电容器 固有的优异导电性能 具备孔结构 耐高温 抗氧化过程 高表面积的石墨烯电极用膜隔开；充电时，电解质中阴离子（白球和蓝色球）和阳离子（红色球）在石墨烯表面附近积累，形成双电层,太阳能电池 锂离子电池 超级电容器,石墨烯利用前景,Graphene for sensors and metrology,诺基亚石墨烯光电传感器,石墨烯对环境变化极为敏感,带有石墨烯
9、光电收集层的光电探测器，由一系列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上，用来收集光子透过时产生的电子空洞，石墨烯纳米带作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大，并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放，以此来吸收和过滤相应颜色的光。,石墨烯利用前景,Bioapplications,基因测序 药物传递,用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子从中通过，测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道是哪一个碱基正在通过纳米洞。通过调整石墨烯的亲水亲脂性能，使其与生物膜之间可以良好交互作用，达到药物传递目的。,石墨烯利用前景,Other Uses,抗菌效用,海水
10、淡化,石墨烯过滤器远优于其它海水淡化技术，与水分子分解发电技术结合，水、电可成为廉价产品,石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞,涂料,石墨烯基涂料可用于导电油墨，抗静电，电磁干扰屏蔽，和气体阻隔的应用,多孔材料,物理研究,“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量，帮助物理学家在量子力学领域取得新突破,石墨烯对人类和环境的潜在影响,石墨烯对人类和环境的潜在影响,石墨烯纳米粒子的锯齿边缘非常锋利和强劲，能够切开人体细胞并破坏其内容物。石墨烯材料与人体细胞如何作用并不清楚。当石墨烯
11、被释放到地表水中时，它的硬度会增大，吸附的的有机材料也更少，它很快就会变得不稳定，既不能发生沉淀，也不能随水的流动而被带走。,【参考文献】 The Rise of Graphene. A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials 6, 183-191 (2007) A Road Map for Graphene. K S Novoselov et al. Nature 490, 192-200 (2012) The Transportation and Stability of Graphene Oxide Nanoparticles in Ground Water and Surface Water.Lanphere. Environmental Engineering Science,2014,石墨烯有待进一步研究和发展,Thank You !,
