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1、2014届本科毕业设计新型碳材料石墨烯及其拉曼光谱院 （系） 名 称物理与电子信息学院专 业 名 称物理学（师范）学 生 姓 名吴鹏飞学 号100514071指 导 教 师刘照军教授完 成 时 间2014年5月8日新型碳材料石墨烯及其拉曼光谱吴鹏飞物理与电子信息学院 物理学专业 学号：100514071指导教师：刘照军摘 要： 碳材料自其发现以来一直都是研究运用的热点，而近几年碳材料的发展速度却有着惊人地提高，究其原因就是石墨烯的发现及应用。石墨烯作为一种新兴的高效材料，加其诱人的特性及发展前景，吸引着各界学者的研究。在分析了几十篇有关论文及文献的情况下，本文从石墨烯的发现历史，制备，结构与性
2、质，应用前景四方面对石墨烯进行简单的分析和介绍。而要彻底了解一种材料就要用不同的方法进行表征，本文将从拉曼光谱的角度进行表征分析，以求达到对石墨烯的基本了解。关键词：石墨烯；拉曼光谱；2D峰；层数；表征Graphene and its Raman SpectraWu Peng-fei College of Physics and Electronic Information Physics No:100514071Tutor: Liu Zhao-junAbstract: Carbon materials since its discovery has always been a study u
3、sing hot spots, and the development of carbon materials in recent years speed is strikingly increase, investigate its reason is that the discovery and use of graphene. Graphene as a new efficient material, plus its attractive properties and development prospects, attracting scholars from all walks o
4、f life. On the analysis of the dozens of relevant papers and documents, this article from the history of the discovery of graphene, preparation,structure and properties, the application prospect of the four parties in the face of graphene for simple analysis and introduction. And to thoroughly under
5、stand a kind of material, we should characterize it with different methods, this article from the Angle of the Raman spectra characterization analysis, in order to reach a basic understanding of graphene.Keywords: Raman spectrum; graphene; 2D peak; characterization目 录摘 要11 引言31.1 碳材料31.2 拉曼光谱基础52 石墨
6、烯72.1 石墨烯的发现72.2 石墨烯的制备72.3 石墨烯的结构与性质82.4 石墨烯的应用前景93 石墨烯的拉曼光谱表征123.1 实验器材及装置123.2 实验数据分析123.3 实验结果分析144 总结16参考文献161 引言1.1 碳材料自然界中，碳是组成各种有机体的最基本元素之一，由碳元素与其它元素组成的各种物质其普遍存在，形态迥异，化学性质也各不相同。即使是由单一碳元素也能组成很多种不同结构、化学性质不同的物质，化学上称它们为“同素异构体”。由单一碳元素也能组成的同素异构体主要有石墨、金刚石，近年来随着纳米科技的发展，又发现了富勒烯、碳纳米管、石墨烯等新型碳材料。石墨、金刚石属
7、于传统的碳材料，石墨、金刚石属于传统的碳材料，在生活和工业上均有长期的使用，并且使用广泛。虽然它们均是由碳元素构成的单质，但在结构上却有着巨大的差异。在石墨中，每个碳原子分别以共价键链接三个碳原子，呈蜂巢式多个六边形并列分布，构成层状结构。各碳原子层之间的距离太大，难于生成共价键，它们是通过弱分子力结合在一起的。这种力是由各层中电子的运动所产生的，各层间的这种弱引力使得石墨具有柔软性，而它的滑腻感则是一层在另一层上滑动的结果。而金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体，这是金刚石的面心立方晶饱的结构。结构差别导致了它们具有不同的物理
8、化学性质。由于石墨层与层间的分子力非常弱，层与层之间及易滑动，而金刚石中碳原子间是由共价键链接，十分稳固，不易断裂，使得金刚石成为自然界最硬的固体，而石墨则是最为柔软的物质之一。由能带理论，金刚石禁带宽度达 5.47eV，具有极强的绝缘能力，而石墨能隙最窄为40meV，是很好的导体。金刚石的热容量比较小，热导率很高，而石墨晶体则是各向异性。固体具有饱和电子结构时没有固有磁矩，表现为抗磁性，而当固体中含有杂质和缺陷时，一般具有未配对的电子，其自旋就会变现出顺磁性。金刚石和石墨都是饱和电子结构，在完美结晶时都是抗磁的，石墨易含有杂质和缺陷，此时就会表现出顺磁性，不同的是，金刚石不易参杂，只表现出抗
9、磁性。石墨和金刚石都是普通的传统碳材料，随着纳米技术的发展，使得碳材料在纳米方向也有所发展。碳纳米材料是指其结构至少在一个维度上处于纳米尺度（0.1nm10nm）范围内的固体超细碳材料。碳纳米材料主要有零维的富勒烯，一维的碳纳米管和二维的石墨烯。1985年Robert Curl1等人在研究激光蒸发石墨电极粉末时，发现在不同数量碳原子形成的碳簇结构中包含有六十个和七十个碳原子的团簇具有更高的稳定性，于是提出由六十个碳原子构成的稳定结构：由12个五元环和20个六元环组成的类似足球的空心球状结构，由于它是由60个碳原子组成的，所以称它为C60，并同时将任何由碳一种元素组成，以球状、椭球状存在的物质(
10、如C60，C70，C84，C240，C5402等)，都命名为富勒烯。1989年，德国科学家Kraetschmer和Huffman实验制备了大量高纯度的C60，证实了的笼状结构C60为富勒烯的一种，进一步推进了富勒烯的发展。富勒烯特殊的结构决定了其独特的物理化学性质，以及广阔的应用前景。富勒烯在大部分溶剂中溶解性很差，通常用芳香性溶剂，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳溶解。纯富勒烯溶液通常是紫色的，浓度大的呈紫红色。富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异构体，由于这种特性，富勒烯在超分子化学、防生化学领域有着重要应用。在高压下C60可转变为金刚石,开辟了金刚石的新来源。C60
11、掺杂碱金属具有超导性，在富勒烯中掺入不同的碱金属，其超导性也有所不同。国内在这方面有一定的研究，1991年北京大学化学系和物理系在国内首次获得K3C60和Rb3C60超导体,超导转变温度分别为18K和28K,其超导率高达75%。并且由富勒烯构成的电荷转移复合物具铁磁性，C60家族分子是三维电子离域的化合物,对其进行化学修饰后进行PVK掺杂得到富勒烯衍生物及一些超分子体系在光学非线性材料、光电转换、分子电子器件等领域有潜在应用前景。以富勒烯C60为基础的催化剂3,可用于以前无法合成的材料或更有效地合成现有的材料。碳纳米管的发现是伴随着C60研究的不断深入而实现的。1991年,日本的饭岛澄男博士用
12、石墨电弧法制备C60的过程中,发现了一种多层管状的富勒碳结构,经研究证明它是同轴多层的碳纳米管4。碳纳米管是由碳原子以六边结构排列组成的数层或数十层的同轴管状结构的碳单质材料。根据碳纳米管截面的边缘形状，单壁碳纳米管又分为单臂(armchair)纳米管，锯齿形(zigzag)纳米管和手性形(chiral)纳米管。这些类型的碳纳米管的形成取决于由六边形碳环构成的石墨片是如何卷起来形成圆筒形的，不同的卷曲方向和角度将会得到不同类型的碳纳米管。单壁碳纳米管的直径一般为16 nm，最近日本饭岛澄男和香港科技大学在Nature杂志上分别撰文报道，他们同时观察到的碳纳米管最小直径仅为0.4 nm。理论上，
13、0.4 nm是碳纳米管可能的最小直径，因为尺寸再小，碳纳米管会因为碳原子之间的结合角度太小而造成结构不稳定。除此之外，单壁碳纳米管的直径太大也不是稳定的结构，一般来说，当管径大于6 nm后就很容易发生管壁的塌陷而变得不稳定。碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环(石墨片)组成，但在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有一些五边形和七边形的碳环结构。因为构成这些不同碳环结构的碳-碳共价键是自然界中最稳定的化学键，所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能，其强度接近于碳-碳键的强度。理论计算和实验研究表明5，单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其强度是钢的100倍，而密度却只有钢的六分之
14、一，是一种新型的“超级纤维”材料。由于碳纳米管是中空结构，科学家们就研究发现，可以在其空腔中“填入”其它物质，进行储存。经研究发现碳纳米管是迄今发现的贮氢容量最大的吸附材料，因此，碳纳米管也将有助于氢燃料汽车的发展。并且碳纳米管的端口极为细小而且非常稳定，十分有利于电子的发射。它具有的极佳场发射性能将使其有望取代目前使用的其它电子发射材料，成为下一代平板显示器的场发射阴极材料。正如我们所知，石墨是层状结构，但层与层之间并不稳定，如果以一定的方式对石墨片进行剥离，使其只有一层或数层，就会产生另一种二维碳纳米材料。在2004年之前就有人预言存在这种材料，但由于当时人们的认识和科技发展程度有限，认为
15、不可能单独存在稳定的二维纳米材料。直到2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈 . 盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁 . 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在实验中发现并制备了单层石墨烯片6，人们才开始注意这种神奇的碳纳米材料。由于石墨烯（graphene）可以视为石墨（graphite）的单层或数层，所以它们的性质十分相似，均是由碳原子以六方结构的键杂化链接而成的。但是由于它比石墨少了层与层的弱分子力，因此有着比石墨更为特殊的性质。迄今为止，科学家们已发现石墨烯有着独特的物理化学性质，它拥有高比面积，高导电性，高机械强度，高热导率等。由于它这些高效的性能，使得它成为近些年各国科技研究的“新宠儿”，尤其在美、韩、中、日等国研究非常活跃。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。1.2 拉曼光谱基础拉曼光谱是一种散射光谱。其分析方法是由印度科学家拉曼发现的拉曼散射效应得到的，对于入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构的一种分析方法。拉曼光谱是由拉曼于1928年在实验中发现，当光穿过透明介质时，光子会被其中的分子散射使其光频率发生变化，这种现象叫做拉曼散射7。当光子入射到介质中的分子上时，
