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石墨烯是什么材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，其结构类似于蜂窝状的蜂窝状结构。
石墨烯由单层碳原子组成，形成了具有特殊性质的六角形晶格。
石墨烯的发现被认为是一项革命性的进展，因为它具有许多独特的物理和化学特性，使其在许多领域具有巨大的潜力。
首先，石墨烯具有出色的导电性。
由于其独特的结构，石墨烯中的电子可以自由移动，因此具有非常高的电导率。
事实上，石墨烯被认为是已知最好的导电材料之一，甚至比铜还要好。
这使得石墨烯在电子器件和导电材料方面具有巨大的应用潜力。
其次，石墨烯还具有出色的热导率。
由于其结构的特殊性，石墨烯可以有效地传递热量，因此具有很高的热导率。
这使得石墨烯在热管理和散热领域具有广阔的应用前景。
此外，石墨烯还具有出色的机械性能。
尽管它只有一个原子厚度，但石墨烯却非常坚固和耐用。
事实上，石墨烯被认为是已知最坚固的材料之一，具有比钢还要强大的拉伸强度和弹性模量。
这使得石墨烯在材料强度和耐久性方面具有巨大的潜力。
此外，石墨烯还具有许多其他独特的特性，例如光学透明性、化学稳定性和柔韧性等。
这些特性使得石墨烯在许多领域都具有广泛的应用前景，包括电子学、光学、材料科学、生物医学等。
总的来说，石墨烯是一种具有许多独特性质的材料，具有广阔的应用前景。
随着对石墨烯的研究不断深入，相信它将在未来的许多领域发挥重要作用，为人类社会带来巨大的变革和进步。
石墨烯的性质及应用石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成的二维晶体结构，具有一系列独特的性质和应用潜力。
以下将详细介绍石墨烯的性质和应用。
性质：1. 单层结构：石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，在垂直方向上只有一个原子层，具有单层的特点。
2. 高强度：尽管石墨烯只有一个碳原子层，但其强度非常高。
石墨烯的破断强度远远超过钢铁，是已知最强硬的材料之一。
3. 高导电性：石墨烯的碳原子呈现出类似于蜂窝状的排列方式，使得电子能够在其表面自由传导。
石墨烯的电子迁移率是晶体硅的200倍以上，使得其具有非常高的导电性能。
4. 高热导性：由于石墨烯中的碳原子排列紧密，热量传递效率非常高。
石墨烯的热导率超过铜的13000倍，是已知最高的热导材料之一。
5. 弹性：石墨烯具有非常强的弹性，在拉伸过程中可以扩展到原始长度的20%以上，然后恢复到原始形状。
这种弹性使得石墨烯在柔性电子学和拉伸传感器等领域具有广泛应用。
应用：1. 电子器件：石墨烯的高导电性和高迁移率使其成为制造高速电子器件的理想材料。
石墨烯可以作为传统半导体材料的替代品，用于制造更小、更快的电子元件，如晶体管、电容器和电路等。
2. 透明导电膜：石墨烯具有优异的透明导电性能，可以制备成透明导电膜，用于制造触摸屏、显示器和太阳能电池等设备。
相比于传统的氧化铟锡(ITO)薄膜，石墨烯具有更好的柔性和耐久性。
3. 电池材料：石墨烯可以用作锂离子电池的电极材料，具有高电导性和高比表面积的优势。
石墨烯电极可以提高电池的充放电速度和储能密度，有望在电动汽车和可再生能源储存等领域得到应用。
4. 传感器：石墨烯具有优异的电子迁移率和极高的比表面积，使其成为制造高灵敏传感器的理想材料。
石墨烯传感器可以用于检测气体、压力、湿度和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度的特点。
5. 柔性电子学：石墨烯的高强度和高弹性使其成为柔性电子学的重要组成部分。
石墨烯可以制备成柔性电路、柔性显示屏和柔性传感器等，有望应用于可穿戴设备、智能医疗和可卷曲设备等领域。
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石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。
英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。
[1] 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
中文名石墨烯外文名Graphene 发现时间2004年主要制备方法机械剥离法、气相沉积法、氧化还原法、SiC外延法主要分类单层、双层、少层、多层（厚层）基本特性强度柔韧性、导热导电、光学性质应用领域物理、材料、电子信息、计算机等目录1 研究历史2 理化性质? 物理性质? 化学性质3 制备方法? 粉体生产方法? 薄膜生产方法4 主要分类? 单层石墨烯? 双层石墨烯? 少层石墨烯? 多层石墨烯5 主要应用? 基础研究? 晶体管? 柔性显示屏? 新能源电池? 航空航天? 感光元件? 复合材料6 发展前景? 中国? 美国? 欧洲? 韩国? 西班牙? 日本研究历史编辑实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。
石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。
石墨烯概念石墨烯（Graphene）是由一层单原子厚度的碳原子团成的二维薄层结构，它具有无与伦比的特性，为科学和工程技术带来了新的可能性。
作为最薄的材料，它具有高弹性，高电导率和高热导率等独特性能，有望在未来的电子电路中获得应用。
本文的目的是讨论石墨烯的来源，原理，功能，应用和未来发展。
石墨烯是在2004年由安德森大学的Sir Andre Geim和Konstantin Novoselov在石墨表面上观察到的。
他们发现它的概念，并发现它具有密度极高，厚度极薄，伸展性高，强度高，导电性高，热量传导性高，压缩性强等诸多优点。
石墨烯作为一种超材料，其结构可以被认为是两个几何折线图组成的三维空间，即它是一种连接两个折线体的结构。
石墨烯的物理性质可以直观地表示为层状碳原子组成的蜂窝结构，这种蜂窝结构实际上是由大量六角形网格组成的，每个网格由六个碳原子组成。
石墨烯具有独特的性能，主要体现在强度，密度，电导性，热导性，可塑性等方面。
这种材料的强度比碳纤维高出百倍，密度比碳纤维低出百倍，电导性比金属高出一百倍，热导性比碳纤维高出一百倍，可塑性比碳纤维高得多。
因此，石墨烯可供构建出高性能的新型材料，以及用于取代传统材料的结构件。
石墨烯可以用来制备多种电子器件，如超灵敏传感器，高速可编程控制器，新型超纯氧化碳电池，高速纳米芯片，微纳加工设备，和多功能石墨烯半导体。
此外，石墨烯还可以用于制备增强的智能建筑材料，包括紫外线抗性，防火，和抗热和冷却等特性，以及纳米涂料，环境污染控制，气体储存，和液晶显示屏等应用。
未来，由于石墨烯本身独特的特性，它有望在各个领域得到更多的应用，如飞机和高空电子设备，无线电信号传输，智能能源系统，和更高效的电子电路等。
此外，石墨烯有望为解决复杂的物理问题提供解决方案，如价格和容量的优化，多功能领域的应用等。
综上所述，石墨烯是一种全新的材料，由于它具有强度，密度，电导性，热导性，可塑性等优势性质，它可以被广泛用于制备电子器件，增强智能建筑材料，纳米涂料，环境污染控制，气体储存，和液晶显示屏等应用。
引言石墨烯是单层碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶体结构的一种炭质材料,碳原子排列与石墨的单原子层一样。
石墨烯是碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335nm，仅为头发的二十万分之一，是目前所发现的最薄的二维材料，是构建其他维数炭质材料（如零维富勒烯，一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性及电学质量和优异的电学、力学性能和结晶性。
2004 年, Manchester 大学的Geim 小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型石墨烯.石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高 100 倍的载流子迁移率 (2 × 10 5cm 2／v),在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯还具有良好的导热性[3000W ／(m ·K)] 、高强度(110GPa) 和超大的比表面积(2630mZ ／g) 。
这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景。
一、石墨烯的合成目前制备石墨烯的主要方法有: 化学气相沉积法, 微机械剥离法以及液相条件下的有机分子分散法, 溶剂热法和氧化还原法等.化学气相沉积法是以能量激化气体反应先驱物发生化学反应在基底表面形成石墨烯薄膜的一种薄膜成长方法. Keun 等,Kim 等通过 CH4分解，还原 CO等反应生成气态碳原子, 产物沉积在基底表面，生成二维石墨烯薄膜，然而现阶段工艺不成熟及较高的成本限制了其规模应用。
微机械剥离法是采用离子束对物质表面刻蚀，并通过机械力对物质表面进行剥离制备石墨烯 .Geim 等用微机械剥离法从高定向热解石墨上剥离得到单层石墨烯，但由于工艺复杂制备的石墨烯产率低不能够满足工业化需求。
在一定程度上限制了规模化生产。
有机分子分散法是将石墨在有机溶剂中超声分散得到石墨烯的一种方法。
石墨烯综述1.1石墨烯概述石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。
它的出现为科学界带来极大的贡献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最佳无机纳米技术。
由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，达到均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。
石墨烯的内部结构是以碳原子以sp 2杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。
一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。
另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。
如图1-1 所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。
因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不论是沉积在最底层的还是不收区域限制的。
，如图1-2 所示，蒙特卡洛模拟（KMC）做出了相应的验证[3]。
上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集起来。
同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能[3-6]图1-1. 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[7]。
Figure 1-1. Graphene: the building material for other graphitic carbon materials. It can be wrapped up into 0D buckyballs, rolled into 1D nanotubes or stacked into 3D graphite[7].图 1-2. 单层石墨烯的典型构象[1]。
石墨烯Graphene一．石墨烯是什么？1.关于2010诺贝尔物理学奖海姆和诺沃肖洛夫他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国于2004年第一次用微机械剥离法( Micromechanical cleavage) 获得石墨烯薄片层制备出了石墨烯。
这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
至此，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管和零维的富勒球（足球烯）就组成了完整的碳家族体系。
2.石墨烯的结构所谓石墨烯，它和石墨有着紧密的联系。
我们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
——此即微机械剥离法单层石墨烯就是指只有一个 C 原子层厚度的石墨，C—C 间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。
完美的石墨烯是理想的六边形晶格组成二维晶体结构，利用透射电镜（TEM），原子力显微镜（AFM）研究表明，这些悬浮的石墨烯片层并不是完全平整，他们表现出物质微观状态下固有的粗糙，表面会出现几度的起伏，可能正是这些三维的褶皱巧妙的促使二维晶体结构稳定存在。
石墨烯厚度只有0.335nm，如果我们把20 万片薄膜叠加到一起也只有一根头发丝那么厚。
3.石墨烯的特点及相应的应用它是已知材料中最薄的一种，并且比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
eg.如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。
换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
————应用：这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
第一章石墨烯机能及相关概念之马矢奏春创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资估中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体.石墨烯狭义上指单层石墨,厚度为0.335nm,仅有一层碳原子.但实际上,10层以内的石墨机关也可称作石墨烯,而10层以上的则被称为石墨薄膜.单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状机关.完美的石墨烯具有理想的二维晶体机关,由六边形晶格组成,理论比概略积高达 2.6×102 m2 /g.石墨烯具有优良的导热机能(3×103W/(m•K))和力学机能(1.06×103 GPa).此外,石墨烯稳定的正六边形晶格机关使其具有优良的导电性,室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 /(V·s).石墨烯特殊的机关、凸起的导热导电机能和力学机能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点.石墨烯机关图2石墨烯机关石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片,由 sp2 杂化的碳原子慎密排列而成的蜂窝状晶体机关.石墨烯中碳 -碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个σ键,连接十分稳定形成了稳定的六边状.垂直于晶面标的目标上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的传染感动.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的底子组成单元,可以将它看做一个无限大的芳香族分子,平面多环烃的极限情况就是石墨烯.形象来说,石墨烯是由单层碳原子慎密聚积成二维蜂窝状晶格机关,看上去就像一张六边形网格组成的平面.在单层石墨烯中,每个碳原子经由过程 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形,每一个六边单元实际上相似苯环,碳原子都贡献出个一个未成键电子.单层石墨烯厚度仅0.35nm ,约为头发丝直径的二十万分之一.石墨烯的机关很是稳定,碳原子之间连接及其柔韧.受到外力时,碳原子面会产生弯曲变形,使碳原子不必从新排列来适应外力,从而包管了自身的机关稳定性.石墨烯是有限机关,能够以纳米级条带形式消掉.纳米条带中电荷横向移动时会在中性点临近产生一个能量势垒,势垒随条带宽度的减小而增大.是以,经由过程控制石墨烯条带的宽度即可以进一步得到需要的势垒.这一特点是开拓以石墨烯为根本的电子器件的根本.石墨烯能带机关图3石墨烯机能石墨烯是一种超轻材料,面密度为0.77mg/m2,的主要机能是：一是具有超强的导电性.石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,是硅的100倍,在室温下可以达到15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多,只有10 ～6Ω·cm 旁边.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热机能优于碳纳米管,是铜、铝等金属的数10倍,导热系数高达5300W/m•K.三是具有超强的力学性,石墨烯的硬度超出金刚石,断裂强度达到钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率很是小,透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概略积.石墨烯的比概略积每克比通俗活性炭超出跨越1130m2,达到2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学机能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,具有优良的光学机能.理论和实验成果标明,单层石墨烯吸收2.3%的可见光,即透过率为97.7%.从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%,是以可以按照石墨烯薄膜的可见光透射率来预算其层数.结合非交互狄拉克-费米子理论,模拟石墨烯的透射率,可以得出与实验数据相符的成果.按照折射和干与道理,不合层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出不合的颜色和比较度,为石墨烯层数的辩白供应了便利.理论和实验标明大面积石墨烯薄膜同样具有优良的光学机能,且其光学特点岁石墨烯的厚度产生变更.石墨烯薄膜是一种范例的透明导电薄膜,可以代替氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜材料,即可克服ITO薄膜的脆性缺点,也可解决铟本钱稀缺对应用的限制等诸多问题.石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极.别的,当入射光的强度超出某一临界值时,石墨烯对其的吸收会达到饱和.这一非线性光学行为成为饱和吸收.在近红外光谱区,在强光辐照下,因为其宽波段吸收和零带隙的特点,石墨烯会慢慢接近饱和吸收.应用这一性质,石墨烯可用于超快速光子学,如光纤激光器等.3.2 石墨烯的电学机能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化,并贡献残剩一个p轨道电子形成π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯优良的导电性.因为原子间传染感动力很是强,在常温下,即使周围碳原子产生碰撞,石墨烯中的电子收到的搅扰也很小.电子在石墨烯中传输时不随意马虎产生散射,传输效率1.5×105cm2/(V·s),约为硅中电子迁移率的140倍.其电导率可达106s/m,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.因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,是以被等待可用来成长更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.因为石墨烯本质上是一种透明、优胜的导体,也适合用来制作透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池.石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜.人们创造,石墨烯具有非同平凡的导电机能,超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的消掉有望在现代电子科技范围激发一轮革命.在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,而传统的半导体和导体,例如硅和铜远没有石墨烯表示得好.因为电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,2013年一般的电脑芯片以这种办法浪费72%-81%的电能,石墨烯则不合,它的电子能量不会被损耗,这使它具有了非比平凡的优良特点.3.3 石墨烯的力学机能石墨烯是一贯资估中强度和硬度最高的晶体机关.其抗拉强度和弹性模量辨别为125GPa和1.1TPa.石墨烯的强度极限为42N/m2.理想石墨烯的强度约为通俗钢的100倍,面积为1m2的石墨烯层片可辞谢4kg的质量.石墨烯可作为一种范例的二维增强材料,在复合股料范围具有潜在的应用价值.3.4石墨烯的热学机能石墨烯的强度比金刚石还要硬,在低温下,还能保持其原有的形态,从这一点就震撼了物理界,主假如因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的,当施加外力传染感动于石墨烯时,内部的碳原子不会产生位移,只是产生了弯曲变形,就可以抵制外力,包管本身的稳定性.石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多,导热系数高5300W/m•K,高于碳纳米管和金刚石.石墨烯的理论比概略积可达2630m2/g,用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子,当气体附着或分开石墨烯概略时,吸附的分子修改了石墨烯的局部载流子浓度,导致电阻产生阶跃型变更.这一特点可用于制作气体传感器.理论计算标明,石墨烯与锂可形成多孔复合机关,具有极强的氢气储存才能.3.5 石墨烯的磁学机能石墨烯氢化往后往往会具有铁磁性,主假如因为石墨烯在氢化往后,在边沿处有孤对电子对,这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下,做过经由过程修改温度,看能否让石墨烯的磁性有所变更.确定磁场强度为1T,当温度T＜90K 时,石墨烯会表示出顺磁特点；当温度T＞90K 时,石墨烯会呈现出了反磁特点. 3.6 石墨烯的化学机能石墨烯的电子性质受到了广泛存眷,然而石墨烯的化学性质却一贯无人问津,至今关于石墨烯化学机能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮,氨,钾）,这条性质和我们所认知的活性炭有些相似.二氧化氮,氨,钾往往是被作为给体或受体,使得石墨烯内部的碳原子浓度产生变更,然而石墨烯本身就是一种导电材料.其它的吸附物,如氢离子和氢氧根离子则会产生导电性很差的衍生物,但这些都不是新的化合物,只是石墨烯装饰不合吸附物罢了.因为石墨烯和石墨都是碳的同素异形体,从化学的角度上来看,往往它们具有一些相同的性质,所以在一些石墨烯不熟悉的范围可以经由过程石墨来进行响应的实验,来创造石墨烯的规律,有了这条比较简单又便利的思惟,在未来,石墨烯更多的化学性质将会被开掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特点示意图。
石墨烯概念石墨烯概念概述•石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有出色的导电性和导热性。
•它是一种单层晶体结构，形如蜂窝状的碳原子排列。
基本结构•石墨烯由碳原子组成，每个碳原子与周围三个碳原子形成共价键。
•每个碳原子形成一个六边形，整个结构类似于蜂巢。
物理特性•导电性：石墨烯是一种优良的电导体，电子在其内可以以近乎无阻碍的方式传输。
•导热性：石墨烯具有出色的热导性能，是目前已知最好的热导体之一。
•强度：尽管单层石墨烯非常薄，但其强度却非常高，比钢材强度还要高出200倍。
应用领域•电子学：石墨烯作为导电材料，可以应用于新型电子器件的制造，如柔性电子产品、传感器等。
•能源领域：石墨烯可以应用于锂离子电池、超级电容器等，提高能源存储和转换效率。
•材料科学：石墨烯可以用于制备高强度、轻质的复合材料，广泛应用于航天航空等领域。
•生物医学：石墨烯在生物医学领域有广泛的应用潜力，如用于药物传递、生物传感器等。
研究进展•石墨烯的发现对科学界产生了深远的影响，并获得了诺贝尔奖。
•目前，研究人员正在不断探索石墨烯的性质、制备方法和应用领域，取得了许多重要的突破。
总结•石墨烯作为一种新兴的材料，具有许多独特的特性和广阔的应用前景。
•这一概念对科技进步和创新产生了重要的推动作用，未来石墨烯有望为我们的生活带来更多的便利和创新突破。
机械剥离法•通过使用胶带或其他黏附物来剥离石墨烯层，这种方法简单易行，但产量低。
化学气相沉积法•通过在金属衬底上加热并注入碳源气体，使其在高温下分解并在金属表面形成石墨烯层。
•这种方法适用于大面积石墨烯的合成，但需要高温环境和专业设备。
液相剥离法•在石墨烯表面涂覆化学物质，然后通过剥离或溶解基底来获得石墨烯。
•这种方法适用于制备单层或多层石墨烯，并可以控制其厚度和质量。
继电子束蒸发法•在待制石墨烯的表面蒸发有机物，形成碳膜，然后通过退火使其转化为石墨烯。
•这种方法适用于大规模石墨烯的制备，但需要专业设备和条件。
题目：石墨烯的结构性能以及研究现状院（部）系材料科学与工程学院所学专业材料工程年级、班级2014级学号2014730056完成人姓名卫明摘要采用对氧化石墨进行高温还原获得石墨烯，通过高速剪切分散法将石墨烯分散到聚二甲基硅氧烷中，固化后得到石墨烯/室温硫化( RTV) 硅橡胶复合材料。
对石墨烯和复合材料的微观形貌进行了表征，并考察了复合材料的性能。
结果表明，所制备石墨烯的厚度为1 ～3 nm，为具有较少层数的石墨烯片层结构;复合材料断面呈微相分离结构，但其差示扫描量热曲线只有1个玻璃化转变温度( Tg ) 。
随着石墨烯用量的增加，复合材料的Tg 升高，结晶熔点降低。
关键词：石墨烯；复合材料；力学性能AbstractGraphene was prepared by reducing graphite oxide with hydrazine hydrate as reductant. Graphenewasdispersed in -polydimethylsiloxane by high-speed shearing dispersion method.The graphene /room temperature vulcanized (RTV) silicone rubber composites were obtained after curing. The micro morphology of graphene and the composites were characterized and the properties of the composites were analyzed. The results showed that the as-prepared graphene nanosheet had fewer layers and its thickness was 1－3 nm. The composites had a microphase separation structure, but its differential scanning calorimetry curve exhibited only one glass transition temperature (Tg) and one crystalline melting point(Tm). With the increase of the content of graphene, Tg increased and Tm decreased.Key words: graphene; composite; mechanical property第一章 前言1. 石墨烯1.1 石墨烯的概述近二十年来，碳纳米材料一直是纳米科技领域中的重要研究课题。
1985年发现的富勒烯(Fullerene)[1](1996年被授予诺贝尔奖）和1991年发现的碳纳米管(Carbon Nanotub)[2]，已成为零维和一维碳纳米材料的经典代表，均引发了世界范围的研究热潮。
然而，碳纳米材料家族中二维成员是否稳定存在还是一个谜。
20世纪30年代，Laudau 和Peirels 等物理学家认为，任何准二维晶体中的原子由于其本身的热力学不稳定性，将偏离晶格位置，导致在有限温度下都不可能稳定存在[3-5]。
直到2004年，英国曼切斯特大学的Geim 课题组利用非常简单的胶带剥离石墨的方法首次制备出了稳定的高质量的单层和少数几层石墨烯（Graphene ，也称单层石墨）[6]，这一发现不仅证实了二维碳纳米材料的存在，还将碳材料家族进一步充实，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系，如图1-1所示。
自2004年以来，石墨烯由于其优异的性能而受到了全世界科学家的广泛关注，迅速成为纳米材料研究的国际前沿和热点[7-10]。
图1-1 石墨的同素异形体石墨烯（Graphene ）是由碳原子构成的具有单原子层厚度的二维晶体，碳原子之间以sp 2杂化方式互相键合形成蜂窝状晶格网络，其基本结构单元是苯六元环，可看作是一层被剥离的石墨片[11, 12]，如图1-2(a)。
石墨烯是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.35nm ，厚度仅为头发的20万分之一。
石墨烯内部的碳原子由很高键能的大共轭π键相互连接，其碳碳键长度约为0.142nm ，如图1-2(b)所示。
研究发现，当石墨层的层数少于10层时，就Graphite GrapheneFullereneDiamon Carbon Nanotube会表现出较普通三维石墨不同的电子结构。
我们将10层以下的石墨材料(Graphene和Few-layer graphenes)统称为石墨烯材料(Graphenes)[13]。
（a）（b）图1-2 石墨烯微观结构示意图1.2 石墨烯的性能1.2.1石墨烯的力学性能石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。
在试验过程中，他们选取了一些直径在10~20μm的石墨烯微粒作为研究对象。
研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上。
之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。
研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100nm距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9μN。
据科学家们测算，这一结果相当于要施加55N的压力才能使1μm长的石墨烯断裂。
美国机械工程师Jeffrey教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。
研究发现石墨烯的断裂强度为130±10GPa，杨氏模量为1.0±0.1TPa，是迄今为止力学强度最高的材料，而且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，所以在外力作用下石墨烯膜有较大的变形范围。
1.2.2 石墨烯的电学性能单原子层的石墨烯具有独特的二维电子特性。
在石墨烯中，每个碳原子都贡献出一个p轨道的电子形成离域π键，这些电子可以在晶体中自由移动，赋予石墨烯非常好的电子传输性能[14]。
实验表明：石墨烯的电子迁移率随温度和载流子浓度的变化很小，仅受限于石墨烯内部的缺陷和本身晶格震动所造成的散射。
在室温和载流子浓度为1012cm−2时，石墨烯的电子迁移率理论上可高达15000cm2·V−1·s−1，这对应于石墨烯的电阻率为10−6Ω·cm，略低于导电性最好的金属银（1.59×10−6Ω·cm），成为世界上最好的导体。
1.2.3 石墨烯的光学性能石墨烯是世界上最薄的材料，其厚度只有0.35nm，这就保证了石墨烯薄膜具有优异的光学性能。
单层石墨烯吸收约2.3%的入射白光，即透光率为97.7%，这是由于石墨烯不寻常的低能量电子结构，在狄拉克点，电子和空穴的圆锥形能带会相遇，因而产生这结果。
这一结果和理论预期高度吻合。
1.3 石墨烯的制备方法1.3.1 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(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。
Geim等首先利用离子束在高定向热解石墨表面刻蚀出一个微槽，并将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，然后用透明胶带进行反复撕揭，将多余的HOPG去除，随后将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声。
再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，将单层石墨烯捞出。
由于范德华力或毛细管力，单层石墨烯会吸附在单晶硅片上。
Geim等利用这一方法成功制备了准二维石墨单层并观测到其形貌。
随后Meyer等将微机械剥离法制得的含有单层石墨烯的Si晶片放置于一个经过刻蚀的金属架上,用酸将Si晶片腐蚀掉,成功制备了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯并用透射电镜观测到其形貌。
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。
1.3.2 外延生长法外延生长法就是在单晶基底上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。
C Berger等人采用直径为100mm的SiC衬底片，通过热解吸收Si工艺，从SiC衬底获得外延石墨烯材料。
近年来,在实现高质量石墨烯圆片研究方面，尤其是采用较大直径的半绝缘衬底SiC的外延片方面,已获得很大的进展。
2010年2月初，美国宾州州立大学电子光学中心(EOC)研究人员采用Si升华工艺，在高真空中加热SiC，当温度达到1250~1450℃时，SiC片发生热分解，Si升华后，在金属衬底上留下一层碳，形成1~2层石墨烯，制备出100mm的石墨烯晶片。
迄今, 这种方法制作的石墨烯晶体性能仍比不上石墨剥落的石墨烯晶体。
他们采取升华和非升华相结合的方法，继续提高石墨烯圆片的质量和直径(200mm)。
1.3.3 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是利用气态物质在过渡金属表面上进行化学反应，生成固态沉积物的过程。
当前，采用化学气相淀积方法，也是一种获得大面积石墨烯薄膜的有效途径，如在镍、钌等金属衬底上制备石墨烯，其机理是已分解的碳原子扩散进入金属衬底，冷却后将碳原子挤出金属，在表面形成石墨烯；另一种方法是在金属铱或铜的表面上，直接生成石墨烯。
此外，还有将CVD石墨烯膜转换到相关衬底上的方法，即在多晶镍膜上连续生长多层石墨烯，并以镍膜为牺牲层，腐蚀掉镍膜后将多层石墨烯转换到塑料或Si晶片上，获得的石墨烯的迁移率达4000cm2·V-1·s-1，与采用解理体石墨获得的石墨烯迁移率相差无几。
1.3.4 氧化石墨--化学还原法氧化石墨--化学还原法是指将天然石墨在强酸性环境下与强氧化剂相互作用，在石墨片层之间引入含氧官能团，使石墨片层间距扩大成为氧化石墨，然后将氧化石墨配成溶液进行超声剥离形成氧化石墨烯，用硼氢化钠或水合肼等化学还原剂进行还原得到石墨烯。
这种方法制备石墨烯操作简单、产量大，但是制备的石墨烯容易团聚而失去优异的性能。
氧化石墨的合成方法主要有Hummers法和Staudenmaier法。
1.3.5 氧化石墨--高温还原法氧化石墨--高温还原法是将氧化石墨密闭在石英管中，用氩气保护，迅速加热剥离，使氧化石墨上的环氧键、羟基和羧基等含氧官能团分解产生的CO2进入片层间隙中使片层剥离，制得石墨烯。
