石墨烯结构图

获奖者2010年10月5日，2010年诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的研究。

PPT1安德烈·海姆，1958年10月出生于俄罗斯，拥有荷兰国籍，父母为德国人。

1987年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位。

他于2001年加入曼彻斯特大学，现任物理学教授和纳米科技中心主任。

之前拥有此荣誉头衔的人包括卢瑟福爵士，卢瑟福于1907-1919年在曼彻斯特大学工作。

他至今发表了超过150篇的文章，其中有发表在自然和科学杂志上的。

他获得的奖项包括2007年的Mott Prize和2008年的Europhysics Prize。

2010年成为皇家学会350周年纪念荣誉研究教授。

在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”——通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。

10年后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。

2010年医学奖：荷兰的两位科学家发现哮喘症可用过山车治疗。

和平奖：英国研究人员证实诅咒可以减轻疼痛。

PPT2康斯坦丁·诺沃肖洛夫，1974年出生于俄罗斯，具有英国和俄罗斯双重国籍。

2004年在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。

是安德烈·海姆的博士生。

曼彻斯特大学目前任教的诺贝尔奖得主人数增加到4名，获得诺贝尔奖的历史总人数为25位。

发现石墨属于混晶，为片层结构，层内由共价键相连，层间由分子间作用力相连。

共价键是比较牢固的，但分子间作用力（范德华力）小得多。

因此，石墨的单层是牢固的，而层间作用力很小，极易脱落。

2004年，他们发现了一种简单易行的新途径。

他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。

不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

结构PPT3，4石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。

石墨烯的表征方法拉曼光谱分析拉曼光谱是碳材料分析与表征的最好工具之一。

图1是石墨、氧化石墨和石墨烯的拉曼光谱。

从图中看出石墨仅在1576 cm-1处存在一个尖而强的吸收峰(G 峰)，对应于E2g光学模的一阶拉曼散射，说明石墨的结构非常规整。

当石墨被氧化后，氧化石墨的G峰已经变宽，且移至1578 cm-1处，并且还在1345 cm-1处出现一个新的较强的吸收峰(D峰)，表明石墨被氧化后，结构中一部分sp2杂化碳原子转化成sp3杂化结构，即石墨层中的C=C双键被破坏。

此外G带与D带的强度比也表示sp2/sp3碳原子比。

这进一步说明氧化石墨中sp2杂化碳层平面长度比石墨的减小。

当氧化石墨被还原后，还原氧化石墨即石墨烯的拉曼光谱图中也包含有类似氧化石墨的峰位。

石墨烯拉曼光谱图中两个峰(D与G)的强度比高于氧化石墨的，表明石墨烯中sp2杂化碳原子数比sp3杂化碳原子数多，也就是说石墨烯中sp2杂化碳层平面的平均尺寸比氧化石墨的大。

这说明了在本实验条件下氧化石墨被还原时，它只有一部分sp3杂化碳原子被还原成sp2杂化碳原子，即氧化石墨的还原状态结构不可能被完全恢复到原有的石墨状态，也就是说石墨烯的结构和石墨结构还是有差别的。

图1. 石墨(a)、氧化石墨(b)、石墨烯(c)拉曼光谱X-射线衍射分析图2是石墨、氧化石墨和石墨烯的XRD图。

从图中可以看出石墨在2θ约为26°附近出现一个很尖很强的衍射峰，即石墨(002)面的衍射峰，说明纯石墨微晶片层的空间排列非常规整。

石墨被氧化后，石墨(002)面的衍射峰非常小，但在2θ 约为10.6°附近出现很强的衍射峰，即氧化石墨(001)面的衍射峰。

这说明石墨的晶型被破坏，生成了新的晶体结构。

当氧化石墨被还原成石墨烯，石墨烯在2θ约为23°附近出现衍射峰，这与石墨的衍射峰位置相近，但衍射峰变宽，强度减弱。

这是由于还原后，石墨片层尺寸更加缩小，晶体结构的完整性下降，无序度增加。

石墨烯简介摘要：在碳材料中，石墨烯具有特殊的单层窝蜂状结构，由于特殊的分子结构，使得石墨烯具有优良的化学和物理性质，例如：超高的比表面积超高的比表面积(2630m2／g)，导电性能(电导率106S／m)，机械性能(杨氏模量有1TPa)等，在高科技领域中展现了巨大的潜力。

同时，石墨烯在能源、生物技术、航天航空等领域都展现出宽广的应用前景。

但是由于石墨烯片层之间存在范德华力，促使分子层之间易发生团聚，不利于石墨烯的分散，导致电阻率升高和片层厚度增加，无法大规模高质量的制备石墨烯。

本文主要介绍石墨烯的结构，性质，制备方法，以及石墨烯在现阶段的应用。

关键词：石墨烯结构性质制备应用目录第一部分：石墨烯的结构第二部分：石墨烯的性质第三部分：石墨烯的制备方法第四部分：石墨烯的应用及其前景第五部分：结语第一部分：石墨烯的结构严格意义上的石墨烯原子排列与单层石墨的相同，厚度仅有一个原子尺寸，即0．335nm，因此又被称为目前世界上已知的最薄的材料，每个碳原子附近有三个碳原子连接成键，碳．碳键长0.142nm，通过sp2杂化与邻近的三个碳原子成键形成正六边形，连接十分牢固，因此可是称为最坚硬的材料。

然后每个正六边形在二维结构平面，不断无限延伸形成了一个巨大的平面多环芳烃[1]，如图1-1所示。

2007年，Meryer[2]根据自己的研究发现大多数的石墨烯片层呈现单原子厚度，同时表现出有序的结构，通过透射电镜发现，该片层并非完全平整，表现出粗糙的起伏。

也正因为这种褶皱的存在，才使得二维晶体结构能够存在。

图1-1石墨烯的结构构型第二部分：石墨烯的性质石墨烯在力学、电学、光学、热学等方面具有优异特性。

力学特性石墨烯中，碳原子之间的连接处于非常柔韧的状态．当被施加外部机械力时，碳原子面会弯曲变形．碳原子不必重新排列来适应外力，因此保持了结构稳定。

石墨烯是人类已知强度最高的材料，比世界上强度最高的钢铁高100多倍。

电学特性石墨烯具有超高的电子迁移率，它的导电性远高于目前任何高温超导材料。

基于紧束缚模型的双层石墨烯能带结构作者：王影来源：《硅谷》2014年第21期摘 ;要 ;双层石墨烯是能隙可调控的半导体材料，由于具有奇特的电学性质和光学性质，因此，此类材料有望在光电子工业引起新的革命。

本文采用紧束缚模型方法，给出双层石墨烯动量表象的哈密顿矩阵，数值计算了能带结构，分析了双层石墨烯中三种层间跃迁对能带结构的影响。

关键词 ;双层石墨烯;紧束缚模型;能带结构中图分类号：TP212 ; ; ;文献标识码：A ; ; ;文章编号：1671-7597（2014）21-0022-01石墨烯是由碳原子紧密堆积形成的平面六角晶格结构的二维材料，由于其具有丰富的物理和化学性质，而广受关注[1-3]。

石墨烯在电子元件、晶体管、透明触控屏幕、光板、太阳能电池等领域具有潜在的应用。

单层石墨烯的价带和导带交于狄拉克点，在狄拉克点附近，具有线性的色散关系。

双层石墨烯同样是零能隙材料，但在狄拉克点附近是抛物线型色散关系。

实验和理论都证明在双层石墨烯中外加垂直平面的电场会出现0.1-0.3eV的能隙[4-5]，这意味着双层石墨烯在电子及光电子工业中具有巨大的潜在应用。

本文从紧束缚模型出发，推导了双层石墨烯在动量表象形式下的哈密顿矩阵，计算了能带，分析了双层石墨烯中三种层间跃迁对能带结构的影响，本文的推导及分析对双层石墨烯的实际应用具有一定的意义。

1 ;晶体结构和布里渊区单层石墨烯原子堆积形式是六角蜂窝状结构，如图1左侧所示，每个原胞包含A、B格点两个碳原子，其实空间晶格基矢可取为，其中，为碳-碳键键长。

连接最近邻碳原子之间（如图1左侧，中心A格点原子到最近邻的3个B格点原子）的3个矢量分别为。

六角蜂窝格子的倒格子仍然为相同的形状，倒格子原胞基矢为，第一布里渊区形状如图1右侧所示，同样为六角蜂窝格子，其中高对称性的特殊点在动量空间中坐标为，不等价的和又称为狄拉克点。

图1 ;单层石墨烯的几何结构及第一布里渊区图2 ;双层石墨烯结构图，左侧：平视图;右侧：俯视图石墨烯是由单层石墨烯按AA堆积，或者是AB（Bernal）堆积形成。

实验目的：（1）了解石墨烯的结构和用途。

（2）了解氧化后的石墨烯比纯石墨烯的性能有何提升（3）了解Hummers法的原理一、实验原理：天然石墨需要进行先氧化，得到氧化石墨，再经过水合肼的作用下还原，才能得到在水相条件下稳定分散的石墨烯。

石墨的氧化过程采用浓硫酸和高锰酸钾这两种强氧化剂，氧化过程中先加浓硫酸，搅拌均匀后再加高锰酸钾，氧化过程从石墨的边沿进行，然后再到中间，氧化程度与持续时间有关。

氧化过程中要增加石墨的亲水性，以便于分散，分散一般使用超声分散法。

氧化后的氧化石墨烯需要进行离心处理，使得pH值在6到7之间，目的是洗去氧化石墨烯的酸性，根本原因是研究表明氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可以形成稳定的悬浮液。

氧化石墨烯的还原有多种方法，化学还原和热还原等，化学还原采用水合肼，热还原采用作TGA后，加热到200℃，一般大部分的含氧官能团都能除去。

二、实验内容：1、利用氧化还原法制备石墨烯2、对制得的石墨烯进行结构表征三、实验过程：实验利用Hummers法进行实验：1、在三颈瓶外覆盖冰块，制造冰浴环境，并在三颈瓶内放入搅拌磁石；2、将冰状天然石墨4g和硝酸钠2g倒入三颈瓶中；3、将92ml浓硫酸倒入三颈瓶中；4、开启磁力搅拌器，把溶液搅拌均匀后再缓慢加入高锰酸钾12g，在冰浴环境下搅拌3h；5、升温至35℃，保持搅拌0.5h或1h，此时是对石墨片层中间进行氧化作用，氧化程度与持续时间有关；6、加入去离子水184ml，缓慢滴加，保持温度低于100℃，升温至90℃，保温3h，溶液变红；7、加300ml去离子水和30%的双氧水溶液10ml，使得高锰酸钾反应掉，静置一晚，倒掉上层清液；8、对溶液进行离心操作7-8次，使得pH值在6-7；9、减压蒸馏，进行还原反应得到石墨烯；10、对得到的产物进行结构表征。

六、实验结果及讨论：(A)氧化后的氧化石墨烯悬浮液 (B) 还原过程加热温度对氧化石墨烯含量的对比记录(C)石墨烯的XRD（D）石墨烯的SEM图有（B）可知随着温度的上升，氧化石墨烯反应得越多，占比越低。

一、简介1.SiC热分解制备石墨烯自2004年Novoselov、Geim和合作者们从石墨上剥离出世界上第一种二维材料——单层石墨：石墨烯（Graphene）以来，石墨烯就受到了科技界的广泛重视[1]。

Novoselov 和Geim两人因此在2010年获得了诺贝尔物理学奖。

因为石墨烯的独特特性，在许多技术领域例如光电子学上它都被寄予厚望。

研究石墨烯这种材料相关的物理化学特性和发展大面积、高质量生长石墨烯的技术，同时将其与器件物理学联系起来是我们研究和应用石墨烯的必由途径。

石墨烯是由碳元素组成的二维六边形材料，其在光学、电学、热学、力学等性质十分优异。

它有可能在后摩尔定律时代成为硅（Silicon）的继任者，在单分子气体传感器[2]、自旋电子学[3]、量子计算[4]、太赫兹振荡器[5]等等领域发挥重要作用。

如今，从石墨上剥离出石墨烯仍然是一种重要的石墨烯制备方方法。

然而，这种方法产生的石墨烯大小通常不超过1000 μm2，只适合实验室研究，尚不能在工业上大规模应用。

科学家发展了其他的石墨烯制备方法，包括将石墨烯视作一种薄膜来生长的化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）法、热分解碳化硅法（SiC thermal decomposition）、氧化石墨烯还原法（Graphene oxide reduction）等。

CVD法通过使含碳气源在有催化作用的金属表面分解或者使溶入到这些有催化作用的金属中的碳（C）发生表面偏析，使得在金属表面生成石墨烯或者多层石墨烯（Few-Layer Graphene, FLG）。

能否直接在半导体/绝缘体上生长石墨烯呢？碳化硅热分解成功的解决了这一问题。

最早试图使六方晶系的SiC晶体石墨化的研究报告见于1961年，Badami在高温和真空环境下得到了发生了一定石墨化的SiC[6]。

在一定的退火条件下，SiC晶体表面发生热分解，Si原子发生解吸附，而C原子留下来重新排列和组合可以生长成外延型的石墨烯层[7]。

２０１５年第２期　内蒙古石油化工　１７　石墨烯的性能及应用研究　曹海华，康　坚　（内蒙古自治区石油化工监督检验研究院，内蒙古呼和浩特０１００１０）　

摘要：碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料，它可以形成世界上最硬的金刚石，也可以　形成最软的石墨，人类一直不断深入研究着．自２００４年被Ｇｅｌｍ等人发现以来，石墨烯因其独特的结构　和性质就一直是物理学和材料学领域的研究热点。它是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与　所有其他已知材料不同，石墨烯高度稳定，且作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。　因此，石墨烯开始成为备受瞩目的国际前沿和热点。本文首先概述了石墨烯的结构及性能，然后针对其　在复合材料、光电功能材料与器件以及其他领域的应用进行重点阐述。　关键词：石墨烯；性能；应用　中图分类号：ＴＨＩ　４５．１＋３　文献标识码：Ａ　文章编号：１ｏ０６～７９８１（２０１５）０２—０Ｏ１７一Ｏ２　

１石墨烯的结构及性能　１．１　石墨烯的结构　石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）的命名来自英文的ｇｒａｐｈｉｔｅ　（石墨）＋－－ｅＩｌｅ（烯类结尾），石墨烯的碳原子排列　与石墨的单原子层镭同，它由碳原子以ｓｐ　杂化连接　的呈蜂巢晶格（ｈｏｎｅｙｃｏｎ＇ｌｂ　ｃｒｙｓｔａｌ　１ａｔｔｉｃｅ）排列的构　成的新型单原子层二维原子晶体。其基本结构单元　为有机材料中最稳定的苯六元环，石墨烯可想象为　由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，如图１　所示。　图１石墨烯的基本结构示意图　１．２石墨烯的性能　石墨烯是世界上最薄却也是最坚硬的二维材　料，其厚度仅为０．３５　ｎｍ　这种特殊结构蕴含了丰富　而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。　石墨烯是人类已知强度最高的物质，达１３０　ＧＰａ，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其的机械　收稿日期：２Ｏ【４—１ｌ一２５　特性研究发现，要施加５５牛顿的压力才能使１微米　长的石墨烯断裂，如果物理学家们能制取出厚皮棚　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，如果月ｊ石墨烯制成包装袋．那么它将　能承受大约两吨重的物品。　石墨烯导热性好，导热系数高达５３００　Ｗ・Ⅱ　…　・Ｋ一，常温下其载流子迁移率达１５０００ｃｍ　・Ｖ～　・Ｓ　，是引前已知的具有最高迁移率的锑化钢材料　的两倍，石墨烯的功能化及其棚关应用超过商用硅　片迁移率的ｌＯ倍以上，在特定条件下（如低温骤冷　等），其迁移率甚至可达２５００００ｃｍ　・Ｖ１・ｓ一　；其　热导率可达５０００Ｗ・ｍ－　・Ｋ＿。，是金刚石的３倍．　为目前世上电阻率最小的材料。　石撂烯具有室温址子霍尔效应及室温铁磁性等　特殊性质．与碳纳米管相比，石畏烯的主要性能指　标均与之相当甚至更好，并且避免了碳纳米管研究　和应媚中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型　分离以及催化剂杂质等难题。平面的石墨烯品片更　容易使用常规加工技术，为制作各种纳米器件骷米　了极大的灵活性，甚至可能在一片石墨烯上直接加　工出各种半导体器件和互连线，从而获得具有ｍ人　应用价值的全碳集成电路。　２石墨烯的应用　由于石墨烯优良的机械和光电性质，结合其特　１８　内蒙古石油化工　２０１５年第２期　殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以　制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材　料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性　好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、　能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。　２．１复合材料　石墨烯的比表面积理论值极大，在高温环境下　的稳定性极佳，具备出色的光电性能，单原子层石墨　烯的热传导性能以及机械强度超过了一般的三维碳　材料，作为电子受体，石墨烯可以用于催化剂的载　体，所以综合利用这些性质的方法就是生产制造石　墨烯复合材料。许多研究人员已开展石墨烯与非金　属、金属、聚合物复合材料的研究，且很多科学家预　测，石墨烯最早的实际应用可能会在聚合物复合材　料领域。目前的技术己经可以大量制备微米级的石　墨粉晶体，以此为原料，可能会迅速实现低成本的石　墨烯复合材料的制备。　２．２光电功能材料与器件　新型光电功能材料与器件的开发对电子、信息　及通讯等领域的发展有极大的促进作用。其中，非线　性光学材料在图像处理、光开关、光学存储及人员和　器件保护等诸多领域有重要的应用前景。好的非线　性光学材料通常具有大的偶极矩和　体系等特点，　而石墨烯的结构特征正好符合这些要求。Ｃｈｅｎ工作　组设计并合成的石墨烯材料，通过测试研究，获得了　性能比Ｃ６０（现有公认的最好的有机非线性光学材　料之一）更加优秀的非线性光学纳米杂化材料，并且　这类材料具有优良的稳定性和溶液可处理性，可望　在特种光学器件领域获得应用。　、　石墨烯的电阻率极低，电子迁移的速度极快，极　可能成为组建纳米电子器件的最佳材料，下一代电　子器件的替代品．被期待发展出更薄、更小，消耗的　能量更低，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。利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高　充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨　烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于　许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁　炮等。此外，新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵　金属，可有效降低成本和对环境的影响。　２．３其它应用　随着石墨烯低成本，大规模制备技术的发展．许　多应用也相继出现，并越来越受到重视。石墨烯片层　能回应单一气体分子，使它成为感应器中具有吸引　力的侦测器材料。研究表明，石墨烯也具有超导性，　并且可能比Ｃ６０材料和碳纳米管（ＣＮＴ）的超导性　能更好，超导温度更高，利用该性能有望制得超导材　料。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法　生长，而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可　以用来做绷带，食晶包装甚至抗菌Ｔ恤，石墨烯还可　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，此外，由于原子尺度的厚度，优　异的电学性质，超精细相互作用的缺失以及电学性　能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、　量子计算机以及储氢等其他领域得到广泛的应川，　同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得　新突破。　３结束语　作为２ｌ世纪最具应用前景的新材料之～。　避　烯的每项技术发明都给该题材注入了新的生命力，　总之，单原子层石墨烯具有许多不同于常规材料的　特殊性质，在物理理论研究和工业领域尤其是电＿ｆ　技术方面都具有广阔的应用空间。石墨烯的奇特性　质还有很多有待发现，在不久的将来石墨烯材料制　作的器件可能将大大改善人们的生产和生活方式。　可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个　充满魅力与无限可能的研究对象．更让我们对　ｊ　允　满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭　建起更加便捷与美好的生活。　

氧化石墨烯简介氧化石墨烯是只有一层原子层的物质，它是把石墨粉末氧化得到的产物，或者通过剥离石墨层而得到的产物，在横向尺寸上把原先的石墨分子距离扩大了。

因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺寸（如图1.1氧化石墨烯结构示意图）。

实际上氧化石墨烯是一种不同于传统型态的柔软物质，同时可以表现出聚合物及胶体的性能，具有两性分子的特征。

氧化石墨烯还具有优越的分散性，这些都是其具有独特的亲水特征的原因。

但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯是从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布的两亲性物质。

因此，氧化石墨烯可以降低聚合物材料界面间的能量，氧化石墨烯就像是一种界面活剂，存在于界面之间。

氧化石墨烯是由石墨通过一系列的反应制得的，氧化石墨烯的制备主要是通过以下两种方法，其中第一种是化学氧化法，这种方法制备氧化石墨烯的原理是用强酸与石墨反应，将强酸小分子插入石墨层间，再用强氧化剂（如高锰酸钾等）对其进行氧化。

而电化学氧化法制备氧化石墨是将石墨电极置于电解槽的阳极和阴极，对电解质进行电解，将得到的产物进行干燥，即得氧化石墨。

电化学氧化法操作简单易行，但是一般制备时间较长，存在产量过低的缺点。

氧化石墨烯的制备（1）氧化石墨的制备：虽然石墨烯在2004年才被正式证明可以独立存在，但是氧化石墨的初步研究可以追述到十九世纪。

氧化石墨的制备方法是在1859 年由英国化学家 Brodies首次得到的，他将氯酸钾（KClO3）加入到了发烟硝酸（HNO3）和石墨的混合物之中，发现反应之后的石墨重量有所增加，碳氧原子比为2.2。

由于当时的技术水平落后以及实验条件的限制，而他没能继续对该物质进行深入的研究。

Brodie法所需要的反应时间长，存在的危险性也相对较大。

经过了40年，科学家Standenmaier在反应体系中加入浓硫酸，浓硫酸的加入使得反应体系中氢离子增多，酸性增强，反应速率也较Brodie有所加快，但是石墨被氧化的程度与Brodie 法相同，碳氧原子比为2.25。