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1、石墨烯 世界上最薄最坚硬的纳米材料,目录,石墨烯发现及简介,石墨烯特性,石墨烯制备及产业化,石墨烯利用前景,石墨烯对人类和环境的潜在影响,石墨烯发现及简介,石墨烯（Graphene）由碳原子以sp2杂化轨道组成由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜一个碳原子厚度二维材料基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,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
2、墨烯发现及简介,A K Geim&K S Novoselov.Nature Materials 6,183-191(2007),石墨烯发现及简介,富勒烯,纳米管,石墨,单层石墨烯,翘曲成零维,卷成一维,堆垛成三维,石墨烯发现及简介,A K Geim&K S Novoselov.Nature Materials 6,183-191(2007),石墨烯特性,强度高,电阻率低,导热系数高,透光性好,room-temperature electron mobility of 2.5105cm2V1s1a Youngs modulus of 1TPa and intrinsic strength of
3、130GPa very high thermal conductivity，above 3000WmK1optical absorption of exactly 2.3%complete impermeability to any gasesability to sustain extremely high densities of electric currentReadily chemically functionalized,K S Novoselov et al.Nature 490,192-200(2012),几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光,制成厚度相当塑料包装袋厚度的薄膜，
4、能承受两吨重物,电子迁移速率快，达到光速的1/300,导热系数高达；导热系数高达5300 W/（mK）,结构稳定,外部机械力使碳原子面弯曲，原子不必重新排列来适应外力,石墨烯特性,双电极电场效应,手性量子霍尔效应,石墨烯电学性能,A K Geim&K S Novoselov.Nature Materials 6,183-191(2007),石墨烯制备及产业化,液相剥离（Liquid-phase exfoliation）：将少量的石墨分散于具有表面张力的溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。质量高、产率低。,化学
5、气相沉积（Chemical vapor deposition，CVD）：以单晶镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，其在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。成本高、工艺复杂。,SiC合成法（Synthesis on SiC）：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的SiC在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物，然后使样品升温至1000以上，Si升华形成石墨烯。成本高、操作温度过高。,石墨烯制备及产业化,机械分离（Mechanical exfoliation）：最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，如用另外一种材
6、料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。产率低、仅供实验研究。,氧化还原（Oxidation-reduction）：将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，然后加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。宏量制备产生废液污染、石墨烯品质不高存在缺陷。,取向附生（Epitaxy）：让碳原子在 1150 下渗入钌，然后冷却到850，之前吸收的大量碳原子就会“浮”到钌表面，镜片形状的单层碳原子“孤岛”布满整个基质表面，最终生长成完整的一层石墨
7、烯。成本高、厚度不均匀。,石墨烯制备及产业化,K S Novoselov et al.Nature 490,192-200(2012),石墨烯利用前景,石墨烯利用前景,K S Novoselov et al.Nature 490,192-200(2012),Graphene electronics,中等品位的石墨烯：触屏、可折叠电子纸、可折叠有机发光二极管（LED灯）高品位的石墨烯：高频晶体管、逻辑晶体管、薄膜晶体管,石墨烯利用前景,石墨烯利用前景,K S Novoselov et al.Nature 490,192-200(2012),Photonics,光学偏振控制器、光电探测器、光调制器
8、、锁模激光、太赫兹发生器等,石墨烯利用前景,Energy generation and storage,supercapacitor,超级电容器固有的优异导电性能具备孔结构耐高温抗氧化过程高表面积的石墨烯电极用膜隔开；充电时，电解质中阴离子（白球和蓝色球）和阳离子（红色球）在石墨烯表面附近积累，形成双电层,太阳能电池锂离子电池超级电容器,石墨烯利用前景,Graphene for sensors and metrology,诺基亚石墨烯光电传感器,石墨烯对环境变化极为敏感,带有石墨烯光电收集层的光电探测器，由一系列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上，用来收集光子透过时产生的电子空洞，石墨烯纳米带
9、作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大，并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放，以此来吸收和过滤相应颜色的光。,石墨烯利用前景,Bioapplications,基因测序药物传递,用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子从中通过，测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道是哪一个碱基正在通过纳米洞。通过调整石墨烯的亲水亲脂性能，使其与生物膜之间可以良好交互作用，达到药物传递目的。,石墨烯利用前景,Other Uses,抗菌效用,海水淡化,石墨烯过滤器远优于其它海水淡化技术，与水分子分解发电技术结合，水、电可成为廉价产品,石墨烯氧化物对于抑制大肠杆
10、菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞,涂料,石墨烯基涂料可用于导电油墨，抗静电，电磁干扰屏蔽，和气体阻隔的应用,多孔材料,物理研究,“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量，帮助物理学家在量子力学领域取得新突破,石墨烯对人类和环境的潜在影响,石墨烯对人类和环境的潜在影响,石墨烯纳米粒子的锯齿边缘非常锋利和强劲，能够切开人体细胞并破坏其内容物。石墨烯材料与人体细胞如何作用并不清楚。当石墨烯被释放到地表水中时，它的硬度会增大，吸附的的有机材料也更少，它很快就会变得不稳定，既不能发生沉淀，也不能随水的流动而
11、被带走。,【参考文献】The Rise of Graphene.A K Geim&K S Novoselov.Nature Materials 6,183-191(2007)A Road Map for Graphene.K S Novoselov et al.Nature 490,192-200(2012)The Transportation and Stability of Graphene Oxide Nanoparticles in Ground Water and Surface Water.Lanphere.Environmental Engineering Science,2014,石墨烯有待进一步研究和发展,Thank You!,
