石墨烯分散剂的种类与石墨烯粉体分散性的关系

石墨烯分散剂的种类与石墨烯粉体分散性的关系

石墨烯具有优异的力学、电学、磁学、热学及光学等性能，其本身结构为正六边形碳环在平面内无限拓展延伸构成具有稳定的力学性能以及电学性能，石墨烯的强度可达钢材强度的 100倍，硬度可与金刚石媲美石墨烯表面电子迁移率可达2×10五次方cm2/（V·S），远高于金属铜的导电性，但是石墨烯极易团聚，而且很难分散，如何解决呢？

为什么石墨烯难稳定分散？

石墨烯二维材料的厚度只有几个纳米，具有纳米材料颗粒之间高强的吸附性能，故很难被完全分散开，且由于纯碳材料所固有的疏水性，使得石墨烯不能够充分分散在其他材料中，这极大地限制了材料性能的发挥，因此如何将其分散成为石墨烯应用的一个瓶颈。

目前石墨烯的各类合成技术都已经成熟，关键是石墨烯材料难以在其他基体中分散，是制约其大规模应用的难点。没有大规模应用，石墨烯就没有发展的动力。为响应国家环保的号召，这里主要介绍分散剂石墨烯在水性体系中的应用及分散。介绍分散剂类型对石墨烯水分散性的影响

1、离子型表面活性剂对石墨烯分散性的影响

表面活性剂大体可分为离子型与非离子型，且离子型表面活性剂最为常见。例如：阴离子型表面活性剂十

二烷基苯磺酸钠( SDBS）在溶液中可以使石墨烯具有良好的分散性，但是阴离子表面活性剂在电解质溶液中有

不稳定的缺点；对比多种离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂在酸性溶液与碱性溶液中的分散性能，结果

表明，非离子型表面活性剂对溶液酸碱性并不是很敏感，如 Brij700的分散效果几乎没有变化，并且在分散剂掺量较高的情况下区别更小。相反，离子型表面活性剂表现出了对酸性较为敏感的特性，很多在碱性溶液中分散

效果良好的分散剂，在酸性环境中几乎没有分散效果，其典型代表有 1芘丁酸、脱氧胆酸钠、SDBS 等，在实际由石墨烯制备复合材料时，分散剂的选取与溶液的酸碱性关系很大。

2、非离子型表面活性剂对石墨烯分散性的影响

PVP是一种高分子聚合物，也是一种非离子表面活性剂，PVP作为石墨烯的分散液具有非常好的效果，当PVP溶液为 10mg/ mL时，可分散石墨烯的浓度达到最大。该种分散剂可吸附于石墨烯表面，形成覆盖层，从

而阻止石墨烯之间发生接触团聚；该种分散剂对石墨烯在有机溶剂如 DMF、NMP、乙醇中的分散效果，结果表

明，PVP在高温约 100℃以及低 pH约为 2的条件下仍可使石墨烯溶液保持稳定，相比于其他表面活性剂来说该活性剂具有很明显的优势，相对分子质量越小的 PVP所具有分散效果越好

3、展望

有关石墨烯水分散方法的研究，目前已经有了一定进展，每种方法都有各自的优缺点，没有缺陷的石墨烯

很难实现在水中的分散，而当通过一定方法，如增稠剂、分散剂等，都会或多或少引入一些缺陷或其他官能团。另外，分散剂吸附在石墨烯表面也会影响到其工作性能的发挥，比如降低其原有的导电性能等。制备高浓度的

石墨烯溶液还很困难，希望随着研究的不断深入这些问题能够得到很好的解决。

项目名称：生物基石墨烯宏量制备及石墨烯在功能纤维中的产业化应用 提名意见： 石墨烯具有高导电性、高强度、高韧度等特点。将石墨烯与纺织纤维进行复合将赋予材料诸多优异性能。现有制备石墨烯方法面临着成本高，产量低，对环境产生严重污染等问题，亟待发展简单、安全无毒、低成本、厚度均一、高产率的工业化生产石墨烯材料的方法。 该项目发明了以玉米芯纤维素为原料，采用“基团配位组装”法制备石墨烯材料的新方法，突破了生物基石墨烯配位组装析炭、催化热裂解、精制分散关键技术；研发了石墨烯表面改性及在聚合物中的分散技术，解决了石墨烯在再生纤维素纤维、涤纶短纤维与锦纶 6 纺丝过程中易团聚、品质控制困难等问题；开发了专用组件过滤技术，制备了石墨烯改性再生纤维素纤维、涤纶短纤维与锦纶6 长丝，开发了石墨烯改性纤维高效纺纱系列加工技术、织物与染整技术，建立了石墨烯功能纺织品成型加工技术体系。项目授权国家发明专利26项，具有完整的知识产权体系，整体技术达到国际先进水平。 该项目建立了年产200 吨生物基石墨烯材料的生产线，年产2000 吨的石墨烯功能聚合物母粒生产线。在服饰、家纺、轻工等领域得到了广泛的应用。经济效益和社会效益显著。 提名该项目为国家技术发明二等奖。 项目简介： 石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳纳米材料，具有高导电性、高强度、高韧度等多种特点，在军工、航天、锂离子电池、新能源、新材料等新兴领域和传统领域，都将带来革命性的技术进步。将石墨烯与纺织纤维进行复合将赋予材料诸多优异性能。石墨烯包括了单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯，不同层数的石墨烯应用领域大相径庭。现有制备石墨烯包括了微机械剥离、SiC 高温热解、CVD 外延、化学还原等方法，这些方法面临着成本高，产量低，对环境产生严重污染等问题，亟待发展简单、安全无毒、低成本、厚度均一、高产率的工业化生产石墨烯材料的方法。 本项目发明了以玉米芯纤维素为原料，采用“基团配位组装”法制备石墨烯材

1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。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。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池

石墨烯分散方法 石墨烯具有优良的性能，科研工作者考虑将其作为增强体加入到基体材料中以提高基体材料的性能。但是，由于其较大的比表面积，再加上片层与片层之间容易产生相互作用，极易出现团聚现象，而且团聚体难以再分开，不仅降低了自身的吸附能力而且阻碍石墨烯自身优异性能的发挥，从而影响了石墨烯增强复合材料性能的改进。为了得到性能优异的石墨烯增强复合材料，科研工作者在克服石墨烯团聚、使其分散方面做了诸多研究。分散方法简介如下： 1、机械分散发 利用剪切或撞击等方式改善石墨烯的分散效果。吴乐华等以纯净石墨粉为原料，无水乙醇为溶剂，采用湿法球磨配合超声、离心等方式得到石墨烯分散液，通过扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱分析均证明石墨烯为几个片层分散。 2、超声分散发 利用超声的空化作用，以高能高振荡降低石墨烯的表面能，从而达到改善分散效果的目的。Umar等将石墨在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中采用低功率超声处理，随着超声时间的延长，石墨烯分散液的浓度随之升高，当超声时间超过462h后，石墨烯分散液浓度能够达到1.2mg/mL，这

是由于超声所产生的溶剂与石墨烯之间的能量大于剥离石墨烯片层所需要的能量，进而实现了石墨烯的分散。3、微波辐射发 采用微波加热的方式产生高能高热用以克服石墨烯片层间的范德华力。Janowska等采用氨水作为溶剂，利用微波辐射处理在氨水中的膨胀石墨以制备石墨烯分散液，透射电镜观测结果表明制得的石墨烯主要为单、双和少层(少于十层)石墨烯，并且能够在氨水中稳定分散，研究证实微波辐射产生的高温能够使氨水部分气化，产生的气压对克服石墨烯片层间的范德华力具有显著的作用。 4、表面改性 通过离子液体对膨胀石墨进行表面改性来提高石墨烯的分散性。这种改性属于物理方法，它能降低改性过程对石墨烯结构和官能团的影响。经过改性的石墨烯片层粒径小，呈现出褶皱的状态；通过离子液体改性后的石墨烯可以长时间在丙酮溶液中保持均匀的分散状态，并且能够均匀分布在硅橡胶基体中，离子液体链长增加使得样品更加均匀地分散。 采用具有强还原能力的没食子酸作为稳定剂和还原剂，制得了具有高分散性的石墨烯。由于分子中苯环结构和石墨烯之间形成了π—π共轭相互作用，从而作为稳定剂吸附在石墨烯表面，这使得石墨烯片层具有较强的负电性，

高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭　进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州　４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州　４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １　石墨烯的改性方法 １．１　化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２　电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８·　第９期 高 分 子 通 报

复合材料学报第３１卷　第６期 １２月　２０１４年Ａｃｔａ　Ｍａｔｅｒｉａｅ　Ｃｏｍｐ ｏｓｉｔａｅ　ＳｉｎｉｃａＶｏｌ．３１ Ｎｏ．６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２ ０１４文章编号：１０００－３８５１（２０１４）０６－１４０２－０７ 收稿日期：２０１３－０９－２７；录用日期：２０１３－１１－０７；网络出版时间：２０１４－０１－２ ０　０９：４２网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１０．１３８０１／ｊ ．ｃｎｋｉ．ｆｈｃｌｘｂ．２０１４１２０２．００１．ｈｔｍｌ基金项目：深圳市战略性新兴产业发展专项（ＺＤ ＳＹ２０１２０６１９１４１４１１０２５）通讯作者：曹海琳，教授，研究方向为复合材料性能设计及开发。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｏｈｌ＠ｈ ｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式：叶国锐，晏义伍，曹海琳．氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能［Ｊ］．复合材料学报，２０ １４，３１（６）：１４０２－１４０８．Ｙｅ　Ｇｕｏｒｕｉ，Ｙａｎ　Ｙｉｗｕ，Ｃａｏ　Ｈａｉｌｉｎ．Ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｅｐｏｘｙ　 ｃｏｍｐｏｓ－ｉｔｅｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍａｔｅｒｉａｅ　Ｃｏｍｐ ｏｓｉｔａｅ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１４，３１（６）：１４０２－１４０８．氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂 复合材料性能 叶国锐１，晏义伍１，曹海琳＊１，２ （１．深圳航天科技创新研究院深圳市复合材料重点实验室，深圳５１８０５７；２．哈尔滨工业大学化工学院，哈尔滨１５ ０００１）摘　要：　为了改善玄武岩纤维／环氧树脂复合材料的界面性能，通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性，并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性，同时制备了氧化石墨烯－玄武岩纤维／环氧树脂复合材料。采用ＦＴＩＲ表征了氧化石墨烯的改性效果；运用ＳＥＭ分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制。结果表明：偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面； 玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后，表面粗糙度及活性官能团含量增加，氧化石墨烯－玄武岩纤维／环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强，界面黏结强度得到改善，玄武岩纤维的断裂强力提高了３０．８％，氧化石墨烯－玄武岩纤维／环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了１０．６％。 关键词：　氧化石墨烯；表面改性；玄武岩纤维；力学性能；复合材料中图分类号：　ＴＢ３３２ 文献标志码：　Ａ Ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｅｐｏｘｙ　 ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＹＥ　Ｇｕｏｒｕｉ　１， ＹＡＮ　Ｙｉｗｕ１，ＣＡＯ　Ｈａｉｌｉｎ＊１， ２（１．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８０５７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｈｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎｔｏ　ｓｉｚｉｎｇ　ａｇｅｎｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｓｉｚｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｏｄｉｆｙ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄｔｈｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ－ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｗａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ＦＴＩＲ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｓｉｚｉｎｇ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＳＥＭ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔｉｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｇｒａｆｔｅｄ　ｏｎｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｇｒｏｕｐｓ　ａｒｅ　ｉｎ－ｃｒｅａｓｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｓｉｚｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ－ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　３０．８％ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ－ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙ　 ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　１０．６％．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ 玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石作为原料，经 高温熔融、拉丝、冷却而得到的一种新型无机纤 维［１］ ，具有突出的力学性能、耐高温、高耐腐蚀与化 学稳定性、吸湿性低等优点。以其为增强相的复合材料制品被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑、化工和医学等领域，被认为是２１世纪最具发展潜 力的新型材料之一［ ２－ ４］。复合材料的性能很大程度上依赖于复合材料的界面性能，而界面性能除了取

石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日

摘要 自从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，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料

1 石墨烯电子能带结构所带来的性质 石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型，费米面在狄拉克点以下为p型。由于其能带结构的特殊性，在狄拉克点处的电子态密度很低，对于费米面在狄拉克点附近的高质量石墨烯，通过简单的掺杂或用栅压调控，就可以使其费米面有很大幅度的移动，从而很容易用人工的方法制作出石墨烯的p-n结结构。而该结构是太阳能电池材料所必需的条件。 2、石墨烯对红外光的高透过性 石墨烯对光的透过率可达到97.7%以上，使其成为太阳能电池电极材料的很好选择。现在太阳能电池的透过效率不好原因是太阳能电池上层电极对太阳光中的红外部分吸收十分严重，而红外部分又是太阳光能量的一个集中区，所以影响了下方的光伏材料获得的光的强度。而石墨烯对红外的透过性非常好，用石墨烯带作为太阳能电极材料，可大幅度提高转化效率。 3、石墨烯中的高载流子迁移率 石墨烯中的电子的迁移率大约是硅的100倍，而电导率是与迁移率和载流子浓度乘积成正比，而材料的透光性能又通常和载流子浓度成反比。一般材料如果对光的透过性很好，那么它的载流子浓度就很低，而通常迁移率也很低，从而导电率也很差，这也是目前为什么太阳能透明电极没有很好性能的原因。而石墨烯这种新材料，它的载流子迁移率如此之高，即使在载流子浓度很低时（透光性很好），也能保证两者乘积很客观，有很好的导电性。这也进一步解释了石墨烯适合用于太阳能电池电极的原因。 4、石墨烯中的光激发电子-空穴对的产生消失时间 石墨中的电子式狄拉克电子，速度接近光速三分之一，室温下传导电子比任何其他已知导体要快，所以被光激发出的电子-空穴对可以快速形成电流，同理在撤去光源后也可以迅速消失。基于石墨烯的光伏器件对光的响应目前在实验室中已达到THz，成为超快光电探测器的候选材料 5、石墨烯的热载流子效应 石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特

综合实践论文 题目：石墨烯改性研究进展 班级：高分子112 姓名：陈阳建 指导老师：祖立武 日期：2014年6月20日

石墨烯改性研究进展 陈阳建 齐齐哈尔大学材料学院，黑龙江齐齐哈尔10221 摘要: 结合当前国内外石墨烯改性的研究进展，分别从表面改性和电子性能改性两个方面介绍了石墨烯的改性方法。其中，石墨烯表面改性包括共价键功能化和非共价键功能化；石墨烯电子性能改性包括掺杂和离子轰击。讨论了各种改性方法的优缺点，并在原有改性方法的基础上，展望了未来石墨烯改性的发展方向。关键词: 石墨烯；改性；综述；共价键功能化；非共价键功能化；掺杂；离子轰击 Research progress in the modification of graphene Chen yangjian Materials Science,Qiqihar University ,Qiqihar in Heilongjiang 10221 Abstract: Based on the research progress of modification of graphene material at hom e and abroad, the methods of modification of graphene are introduced from the surfac e modification and the electronic properties modification, respectively. The methods o f surface modification contain the covalent functionalization and non-covalent functio nalization; the methods of electronic properties modification contain dopin g and ion b ombardment. Finally, the advantages and disadvantages of various modification met h ods are discussed, and the further development of modification of graphene is pointed out on the basis of original modification methods. Key words: graphene; modification; review; covalent functionalization; non-covalent functionalization; doping; ion bombardment

由于石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的平面共轭结构，其片层间存在非常强的π-π作用以及范德华作用力，导致其分散性极差，严重制约了石墨烯的实际应用。虽然传统的商品表面活性剂（如SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80）、高分子稳定剂（如PVP、PSS、PDDA）等都可以对石墨烯起到一定的分散稳定作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓度低等问题。过多的分散剂用量以及过低的石墨烯浓度均是构建复合材料的不利因素。因此，开发新型、高效、低成本的分散剂是实现石墨烯规模化应用亟待解决的重要问题。基于此，复旦大学材料科学系、教育部先进涂料工程研究中心周树学教授团队开展了系列研究工作，开发了两种新型石墨烯分散剂，均在石墨烯复合材料制备中表现出了优异的性能，现将其研究成果做简要介绍。 多氨基阳离子型苝酰亚胺类石墨烯分散剂 以一种常用的染料中间体——苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）为原料，经与系列多乙烯多胺在甲苯中回流反应、甲酸酸化处理得到此类石墨烯分散剂。该分散剂具有在较低用量下实现石墨烯高浓度分散的特点。研究发现，PTCDA与三乙烯四胺的反应产物HAPBI-3（图1）对石墨烯具有最佳的分散性能。HAPBI-3用量仅为石墨烯粉末（XF 001W）质量的1/3，就能得到浓度达到2 mg/mL的分散液。分散液zata电位值为+28.5 mV，能够长时间稳定存在。该分散剂对石墨烯的导电性影响很小，与市售商品分散剂相比具有明显的优势（详见Cui J, Zhou S., Journal of Nanoparticle Research, 2017, 19(11): 357. DOI: 10.1007/s11051-017-4047-8）。

Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57 Published Online May 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/e018307567.html,/journal/japc https://www.doczj.com/doc/e018307567.html,/10.12677/japc.2016.52006 Progress in Surface Properties and the Surface Testing of Graphene Jinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu1 1School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, Shanghai Received: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/e018307567.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Graphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion. Keywords Surface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene 石墨烯的表面性质及其分析测试技术 戴进峰1*，王国建1,2，吴承恳1 1同济大学材料科学与工程学院，上海 *通讯作者。

石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。

石墨烯分散液 石墨烯是一种二维蜂窝状碳质新材料，由于其独特的结构石墨烯具有很多优异的性能。石墨烯的电子迁移率(2×105cm2·v-1·s-1)，比硅半导体高100 倍。石墨烯的力学性能也十分优异，研究者们通过原子力显微镜的针尖测量得到石墨烯的杨氏模量为 1 TPa。石墨烯还具有独特的光学性能，单层的石墨烯仅仅吸收2.3 %的白光，对于5 层以内的石墨烯，吸光会随着层数而线性递增。石墨烯具有如此多优异性能，可以作为光电性能优良的电子器件，被广泛研究应用于太阳能电池，传感器，显示器的部件。高浓度稳定分散的石墨烯分散液有着巨大的应用前景，可以应用于石墨烯复合材料的制备，透明导电薄膜的工业化生产等。但石墨烯片不亲水也不亲油，并且由于范德华力还容易发生团聚，难以长时间稳定分散在溶液中。 对于如何改善石墨烯的分散性问题，有大量的科研人员在这方面作了一系列研究，其方法主要集中在对石墨炼的表面改性、引入外来分子如负载纳米粒子、加入表面活性剂分子、引入高分子以及掺杂芳香族大分子等，也有利用还原的氧化石墨炼面内或边缘含氧官能团的静电排斥作用以减弱片层间的范德华力来达到稳定分散的目的。最近也有报道在不加任何表面活性剂或稳定剂的情况下，通过调节分散介质的pH值达到稳定分散石墨烯的效果。 目前，用于分散石墨烯的体系主要有三种:(1)表面活性剂水溶液; (2)有机溶剂; (3)超酸。然而，在水溶液中使用表面活性剂所得到的石墨烯的分散液浓度偏低，目前文献报道的最高值仅有0.3mg/mL;有机溶剂可得到较高浓度的石墨烯分散液，最高可达1.2mg/mL，但有机溶剂成本髙，沸点高，且不易除去，影响石墨烯的后续应用;在超酸体系中能得到目前最高浓度的石墨烯分散液(2mg/mL)，但该体系具有强酸性，对设备要求高且操作过程不易控制，很难拓展到其它应用中。若能在水溶液体系中得到高浓度石墨烯的分散液，无疑能促进石墨烯在多领域中的广泛应用，这正是石墨烯研究领域中的一个重要课题。 1、直接制备石墨烯分散液 目前按照制备石墨烯分散液的前驱体不同，方法大致可分为两种：一是以石墨粉为原料直接在液相中剥离制备石墨烯分散液。这种方法主要是将石墨烯片剥离到几百个纳米粒径的薄片，利用分散液的表面能和石墨烯表面能相近，使得其

表面等离子激元在石墨烯上的基础性质和物理浅析 摘要：表面等离子激元在石墨烯有许多有趣的基础性质和存在巨大的潜在应用。它们可以再亚波长范围内很好的限制电磁场的能量，并且可以通过栅极电压调控。它们的频率可以从太赫兹跨度到红外甚至到可见光范围。这是对现有石墨烯等离激元知识的一个综述，其中特殊强调了等离子体光学损失和不同衰减通道的比较，这些都是现在还没有完全搞清楚的。最后我们会概述石墨烯等离激元元的潜在应用。 1、简介 近些年，平面波导和光子晶体技术取得了很大的进展，打开了通往制造新型的、更有效率的、小型化的光学器件的道路。光可以在成千上万太赫兹的频率上传播，伴随着大的带宽和低损耗，因此现有的在千兆赫兹频率上运行的光限制了电子设备的发展。然而对于光学器件小型化的限制来自于衍射极限的限制。为了使光学器件突破这种极限从而制造一种纳米光子器件，使它能在大宽带近红外或者可见光下运行，需要在衍射极限先对电磁场进行很好的调控。一条可能是唯一的能制备纳米光学器件的途径是等离子激元的激发，这也是正在兴起的研究领域：等离子体光子学。 实际上，根据系统的形态和维度可以有很多种等离激元激发。体状的等离激元是导体内电子的集体激发，然而它们并不是光子学的研究对象。等离子体光子学是建立在表面等离子激元极化子——电磁波受限于导体—电介质界面间上的。这种波长比在空气中的同种频率的波长要短得多，这使在纳米范围内调控光成为可能，也就打破了衍射极限。然而，现今很没有找到一个很好的能够限制电磁能并且低能损的等离激元材料。石墨烯拥有特殊的电学、光学、机械性质，使得石墨烯等离激元有大量的研究。 石墨烯是一层2维的蜂窝状排列的碳碳原子层。它可以通过外部的栅极电压来控制电子和空穴的多少，这是一个很吸引人的光学特性。石墨烯的表面等离子激元吸引了众多的关注。一个主要的原因是石墨烯的一些性质，例如分散性和电子—空穴对激发的内带损耗可以通过外部栅极电压调控。 石墨烯上表面等离子激元效应存在的实验证据最先来自电子能量损失谱。用