石墨烯纳米带场效应管

1. 石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp 2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。

如图1.1 所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1 和a2 定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。

C原子外层3 个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4 个电子为公共，形成弱π键（紫）。

石墨烯的碳- 碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p 轨道均与sp 2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。

如图1.2 所示，石墨烯是富勒烯（0 维）、碳纳米管（1 维）、石墨（3 维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。

形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。

每个碳原子通过sp 2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

图1.1 （a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。

图1.2 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。

前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。

双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。

单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene ）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

石墨烯的应用
石墨烯是一种具有单层碳原子排列成的二维晶格结构的材料，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在多个领域都有广泛的应用。

以下是一些常见的石墨烯应用：
1.电子器件：由于石墨烯具有高电子迁移率、高载流子迁移率和优异的电导率，因此被广泛应用于电子器件中，如场效应晶体管（FET）、透明导电膜、逻辑电路等。

2.光学器件：石墨烯具有宽带隙和高吸收率的特点，可用于太阳能电池、光电探测器、激光器等光学器件中，提高光电转换效率和传感性能。

3.储能设备：石墨烯在锂离子电池、超级电容器等能量存储设备中具有重要应用。

其大表面积、高电导率和快速离子传输性能有助于提高能量密度和充放电速度。

4.传感器：石墨烯具有高比表面积和化学惰性，可用于气体传感器、生物传感器等传感器设备中，检测环境中的气体、生物分子等。

5.强化材料：石墨烯可以增强复合材料的力学性能，提高材料的强度、刚度和耐磨性，常用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。

6.生物医学：石墨烯在生物医学领域具有潜在应用，可用于药物输送、生物成像、组织工程等。

其生物相容性和表面修饰的可调控性使其成为生物医学材料的研究热点。

7.热管理：石墨烯具有优异的热导率和导热性能，可用于热界面材料、散热器、导热膏等热管理领域，提高热传递效率。

总的来说，石墨烯作为一种多功能的纳米材料，在电子学、光学、能源、生物医学和材料科学等领域都有着广泛的应用前景。

石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用
石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄炭素材料，具有许多独特的特点和广泛的应用。

以下是石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用。

特点：
1. 高强度和高硬度：石墨烯的强度比钢高200倍，硬度比金刚石高五倍。

2. 轻量和薄：石墨烯仅有一个原子层厚度，非常轻便。

3. 电子迁移速度快：电子在石墨烯中移动的速度非常快，是现有材料的几百倍。

4. 热稳定性好：石墨烯可以承受高温，不易熔化或分解。

5. 非常透明：石墨烯能够使90%的光线穿透，是目前已知的最透明的材料之一。

应用：
1. 电子学：石墨烯非常适合用于电子学领域，因为它的电子迁移速度非常快，在电子器件中能够提供更快的信号传输速度。

例如，石墨烯可以用于制造晶体管、场效应晶体管和光电二极管等。

2. 医学：石墨烯可以用于制造医用传感器和医疗设备。

例如，石墨烯传感器可以检测人体内某些化学物质的浓度，对于监测病情和治疗非常有用。

3. 能源：石墨烯还可以用于制造太阳能电池和储能器。

例如，石墨烯太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而石墨烯储能器可以在短时间内存储大量电能。

4. 环境保护：石墨烯可以用于净化和过滤水和空气。

例如，石墨烯纳米过滤膜可以去除水中的杂质和污染物，而石墨烯纳米过滤器可以去除空气中的有害物质和颗粒物。

总之，石墨烯具有许多独特的特点和广泛的应用，在未来的科技领域中具有重要的发展前景。

二维材料场效应晶体管材料
二维材料场效应晶体管材料是指由单层或几层原子组成的材料，其具有优越的电学、光学、热学和力学特性，因此被广泛应用于电子学领域中。

其中，场效应晶体管是一种重要的器件，可以实现信号放大和开关控制等功能。

在二维材料中，常用的场效应晶体管材料包括石墨烯、过渡金属二硫化物、磷化硼等。

其中，石墨烯是最早被研究的二维材料之一，具有高载流子迁移率和宽的能带结构，可以实现高速电子传输。

而过渡金属二硫化物则具有较大的间隙，可以实现高电子浓度和高电导率。

磷化硼则具有优异的热稳定性和较高的载流子迁移率，适用于高温环境下的电子学器件。

二维材料场效应晶体管材料的研究不仅有助于更好地理解这些
材料的电学特性，还为未来的电子学器件设计提供了更多的可能性。

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石墨烯表面处理技术石墨烯表面处理技术是一种对石墨烯进行化学修饰和功能化的方法，可以改变石墨烯的特性和应用范围。

石墨烯作为一种二维材料，具有优异的电学、热学和力学性能，因此在能源存储、传感器、电子器件等领域具有广泛的应用前景。

然而，石墨烯的应用受到其本身的特殊结构和化学惰性的限制，需要通过表面处理来改善其性能和功能。

石墨烯表面处理技术主要包括物理和化学两种方法。

物理方法包括机械剥离、离子注入和高温退火等，可以改变石墨烯的形貌和结构。

化学方法则通过在石墨烯表面引入不同的官能团，改变其化学性质和功能。

在物理方法中，机械剥离是一种常用的制备石墨烯的方法。

通过在石墨晶体表面施加机械力，可以使石墨晶体层层剥离，最终得到单层的石墨烯。

这种方法简单易行，但是得到的石墨烯质量和尺寸有限。

离子注入则是通过将离子加速到高能量，使其撞击到石墨烯表面，从而改变石墨烯的性质。

高温退火则是将石墨烯加热到高温，使其分子间的键重新排列，修复石墨烯的结构缺陷。

化学方法中，最常用的是氧化石墨烯（GO）的还原。

氧化石墨烯是一种将石墨烯表面引入氧官能团的方法，可以增加石墨烯的亲水性和分散性。

通过还原氧化石墨烯，可以去除氧官能团，得到还原石墨烯（rGO）。

rGO具有良好的导电性和机械性能，可以用于电子器件和储能材料。

此外，还可以通过在石墨烯表面引入其他官能团，如氨基、羟基等，来赋予石墨烯特定的性质和功能。

石墨烯表面处理技术可以改变石墨烯的物理性质和化学活性，从而扩展其应用领域。

例如，在电子器件方面，通过在石墨烯表面引入氧化物或金属纳米颗粒，可以制备石墨烯场效应晶体管和石墨烯超级电容器。

在储能材料方面，将石墨烯表面进行氮掺杂或磷掺杂，可以提高其储能性能，用于制备超级电池和超级电容器。

此外，石墨烯表面处理技术还可以用于制备石墨烯基传感器，通过在石墨烯表面引入特定的官能团，实现对特定气体或化学物质的高灵敏检测。

石墨烯表面处理技术是一种对石墨烯进行化学修饰和功能化的方法，可以改变石墨烯的性质和功能，扩展其应用领域。

石墨烯的研究进展刘乐浩，李铁虎，赵廷凯，王大为(西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072)摘要石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。

全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，洋细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。

还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。

关键词石墨烯制备方法应用中图分类号：〇613. 71 文献标识码：Research Progress on GrapheneLIU Lehao，LI Tiehu，ZHAO Tingkai，WANG Dawei (School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi，an 710072)Abstract As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties. Synthesis of graphene via different approaches ，such as micro mechanical stripping， chemical stripping， chemical synthesis， epitaxial growth， arc dis- charge，and chemical vapor deposition， are discussed in detail， and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed. Also application progress of gre- phene in polymer composites，micro electronics， optics， energy and biomedicine are summarized， and the main research direction and development trend are imagined.Key words graphene，preparation methods，applicationo引言富勒烯[1]和碳纳米管[2]已经成为碳材料研究的热点，而在2004年，Geim等[3]又发现了碳的又一同素异形体——石墨烯（Graphene)。

石墨烯石墨烯声明：百科词条人人可编辑，词条创建和修改均免费，绝不存在官方及代理商付费代编，请勿上当受骗。

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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。

石墨烯检测报告（一）引言概述：石墨烯作为一种新兴的材料，在科学研究和工业应用领域得到了广泛关注。

本文将就石墨烯的检测方法进行深入探讨，包括石墨烯的制备和表征技术，以及常见的石墨烯探测手段。

正文内容：1. 石墨烯的制备技术- 机械剥离法：通过机械剥离石墨烯原料，如石墨，来获得单层或多层的石墨烯片段。

- 化学气相沉积法：在高温下，通过热解石墨烯前体气体，沉积在衬底上，实现石墨烯的制备。

- 液相剥离法：利用氧化剂或还原剂对石墨进行化学反应，使石墨烯分散在液体中，并通过过滤得到石墨烯材料。

2. 石墨烯的表征技术- 原子力显微镜（AFM）：通过扫描样品表面，测量力的变化，获得石墨烯片层的拓扑结构和高度信息。

- 透射电子显微镜（TEM）：利用电子束穿透样品，观察和分析石墨烯的晶体结构和缺陷情况。

- X射线光电子能谱（XPS）：通过测量材料中的光电子能谱，分析材料的化学成分和电子结构。

- 拉曼光谱：利用激光与样品反射、散射和吸收的变化，分析石墨烯的结构和化学键的振动模式。

- 热重分析（TGA）：通过测量材料随温度的质量变化，分析石墨烯的热分解过程和热稳定性。

3. 石墨烯的电学性质检测- 电导率测量：通过测量石墨烯样品的电阻，计算出其电导率，评估石墨烯的导电性能。

- 能带结构分析：利用光电子能谱等技术，研究石墨烯样品的能带结构，探究其导电机制。

- 场效应晶体管测量：利用场效应晶体管（FET）结构，测量石墨烯的电流-电压特性，评估其在电子器件中的应用潜力。

- 导电性显微镜：结合原子力显微镜，对石墨烯样品进行局部电流密度的测量，探究其导电特性的空间分布。

4. 石墨烯的力学性质检测- 纳米压痕测试：利用纳米压痕仪，测量石墨烯的硬度和弹性模量，评估其力学特性。

- 拉伸测试：通过拉伸试验机，对石墨烯进行拉伸破裂实验，获得其拉伸强度和断裂应变。

- 厚度测量：利用原子力显微镜等技术，测量石墨烯的厚度，评估其层间结构和单层特性的存在情况。

石墨烯（Graph ene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。

是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

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年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是世上最薄却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10-6 Ω·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，电子迁移的速度极快，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。

石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

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。

石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。

石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。

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。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。

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。