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1、1. 什么是纳米材料？试举例说明纳米材料的分类？（10分）（1） 纳米材料：任何至少有一个维度小于100nm或由小于100nm的基本单元 (Building Blocks)组成的材料均可称为纳米材料；纳米材料也可定义为含有纳米结构的材料。 （2） 纳米材料的分类按照维度进行分类: 零维纳米材料，如原子团簇、纳米微粒等；一维纳米材料，如纳米线； 二维纳米材料，如纳米薄膜； 三维纳米材料，如纳米块体材料。零维、一维和二维纳米材料称为低维纳米材料。按化学成分进行分类: 金属纳米材料，无机非金属纳米材料和高分子纳米材料。按晶体结构进行分类: 单晶、多晶、准晶和非晶纳米材料。按应用进行分类: 电子纳米材
2、料、磁性纳米材料、光学纳米材料、生物医用纳米材料、储能及催化纳米材料等。纳米复合材料: 由维度和成分不同的纳米材料复合而成，如0-3、1-3、0-2型等纳米复合材料 ，金属-非金属等纳米复合材料。 2. 纳米材料有哪些基本效应？试举例说明。（10分）（1）尺寸效应和形状效应：纳米材料的尺寸和形状的变化所引起材料的性能变化的现图2-1Au纳米颗粒的熔点与尺寸关系象。纳米材料具有明显的尺寸效应和形状效应，其性能取决于尺寸和形状。尺寸效应和形状效应的物理基础是量子效应和表面和表面或界面效应。例如，纳米材料热学性能的尺寸效应：尺寸减小，熔点降低。如图2-1,Au纳米颗粒的熔点随尺寸的减小降低。在真空和
3、SiO2玻璃中4.5nm 直径Ag颗粒形状变化引起的消光系数的变化当正十面体转变为球形时消光系数增强，转变为星形时消光系数红移 (Jin et al., 2008, Plasmonics)。图2-2 Ag纳米颗粒颜色的形状效应（2）量子效应：量子效应是指电子的能量被量子化，出现分立的能级，其波动行为受约束。量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化。纳米材料因量子效应而出现分立能级，当分立的能隙大于热能、电子的静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，纳米材料的电、磁、光、声、热、超导等性能会出现明显的变化，产生新的物理现象。不同的物理量被量子化后会出现的新物理现象常被称为一个新的效图
4、2-3 (a) 金属纳米材料： (b) 半导体纳米材料应，如库仑阻塞效应、A-B效应、量子霍尔效应、巨磁电阻效应等。金属纳米材料，费米面准连续带消失，出现分立能级；半导体纳米材料，带隙变宽，导带和价带出现分立能级。（3）表面或界面效应：纳米材料尺寸变化所引起表面原子数目、比表面和表面能量迅速改变的现象。随着尺寸的变小, 材料表面的原子数、比表面积和比表面能将会显著地增加, 从而使纳米材料的性能产生明显的变化。如由730, 210和520等具有高指数晶面组成二十四面体Pt纳米颗粒表面的高指数原子台阶及悬键使催化能力可提高400。又例如，界面效应可使扩散系数大幅度增大：如图2-4在不同温度下测量的
5、纳米多晶Cu、Ni、Pd和单晶Cu、Ni、Pd扩散系数与单晶Cu、Ni、Pd扩散系数相比，几个纳米的多晶Cu、Ni、Pd的扩散系数可提高30个数量级，纳米晶的晶界体积分数均大于50% (Gleiter, 2008, Acta Mater.) 。图2-4不同温度下几种纳米晶的扩散系数变化曲线3. 结合LaMer曲线总结纳米晶生长过程及其所包含的重要生长机制。（20分）(1)单体分散的纳米晶典型的生长模型是假设分散晶核的形成阶段是在单体相互连接长大之后的，而且忽略了颗粒之间的相互反应。图3-1为LaMer曲线，由图我们可知：1) 随着反应进行，前驱体分解或者被还原，原子浓度提高，2) 当原子浓度达
6、到过饱和点，原子开始聚集成为小的团簇（或者叫临界晶核），3) 一旦晶核形成，他们将加速长大，使得溶液中原子浓度降低，4) 当原子浓度迅速降到最小过饱和点以下，形核将停止，5) 随着持续的原子供应，临界晶核将生长成为纳米晶体，直到纳米晶表面原子化学势同溶液中原子的化学势达到平衡。图3-1 LaMer曲线（2）生长机制1）外延生长机制外延生长机制，如图3-2所示。图3-2表面能与错配度之间的关系曲线及对应生长模型当衬底的表面能大于薄膜的表面能，且晶格错配度小于0.2时，衬底表面的反应生成物以Frank-van der Morve的二维平面方式生长成膜。随着晶格错配度的增大，二维平面生长方式变得不稳
7、定，转化为Stranski-Krastanov模式，即先生长出几个原子平面，再转为岛状生长。如果衬底的表面能小于可能成膜的表面能，则反应生成物直接以Volmer-Weber模式进行岛状生长。随着晶格错配度的增大，即使衬底的表面能大于膜的表面能，在图中的虚线下仍能维持三维岛状生长。2）晶体生长-大“吃”小(OR)机制Ostwald ripening 机制原理如下图3-3所示。大颗粒功函数（逸出功）大，大颗粒表面带负电荷，小的表面带有正电荷，在电场驱动下正离子移向大颗粒小的表面小的图3-3晶体生长-大“吃”小(OR)机制表面带有正电荷，在电场驱动下正离子移向大颗粒，为了重新确立电平衡，大颗粒从邻近
8、小颗粒获得一个电子；这样，小颗粒变得荷有更多正电荷，通过溶解一个银离子到溶液，再次获得电平衡。最后，大颗粒更大，小颗粒消失。3）晶体生长-方向附生(OA)机制Oriented Attachment 机制如图3-4所示。图3-4晶体生长-方向附生(OA)机制4. 区别近场光学（SNOM），表面增强拉曼散射（SERS）与尖端增强的拉曼散射（TERS）工作原理；拉曼与荧光光谱学工作原理，特点及其在生物领域应用的区别。（20分）（1） 表面增强拉曼散射工作原理1977年0.Jeanmaire等人和G.Albreeht等人*分别独立提出了用于解释这个现象的电磁场增强理论和化学增强理论。一般认为表面增强拉
9、曼散射的信号增强是由电磁场增强和化学增强两部分构成的。电磁场增强机理：表面等离子激元共振(Surface plasmon resonanc, SPR,该增强机理为SERS增强的最主要来源) ,避雷针效应(lightning rod effect)、镜像场作用(image field effect)化学增强原理：电磁场理论在很大程度上可以很好的解释SERS，并且结果与分子的种类无关。但是对于一些分子在某些情况下，比如带长链与金属相连的分子，实际的SERS强度比电磁场理论计算的还要大很多。这时候就需要用化学增强理论来补充解释。所谓的化学增强简单的说指的是金属和所吸附的分子之间发生了电荷转移使分子的
10、极化率发生变化，导致激发出的拉曼散射信号变强。尖端增强的拉曼散射工作原理：TERS的基本原理如图4-1所示，当入射光以适应的波长和偏振照射在纳米尺度的尖锐金属探针尖端时，在局部表面等离激元共振效应避雷针效应和天线效应的共同作用下，针尖附近近几纳米到十几纳米范围内会产生强烈的局部电磁效应，此时的金属针尖可以看作具有极高功率密度的纳米光源，激发激发针尖下方样品的拉曼信号。图4-1尖端增强的拉曼散射工作原理示意图（2）拉曼光谱学原理拉曼散射的基本原理如图4-2所示，拉曼散射是由光子与分子之间的能量转换造图4-2拉曼散射的基本原理示意图态（虚态是不稳定的），然后分子再跃迁回基态E=0，此过程则对应于弹
11、性碰撞，跃迁过程中放出的光子的能量仍为h0，即瑞利散射线。若处于虚态的分子跃迁到E=1，则对应于非弹性碰撞，光子中的部分能量传递给分子，散射光子能量等于h(0-)，这通常称为拉曼散射斯托克斯线；相类似的过程也可能发生在处于E=1的分子受入射光子h0的激发而跃迁到受激虚态，然后又跃迁到基态E=0，光子从分子得到部分能量而变为h(0+)，称为反斯托克斯线。然而，由于拉曼散射是二次光子过程，分子的微分拉曼散射截面通常仅有(甚至低于)10-29cm-2sr-1，因此拉曼散射的致命缺点是检测灵敏度过低。拉曼散射特点：对商品无接触、无损伤；样品无需制备；快速分析鉴各种材料的特性与结构；能适合含黑色含水样品
12、；高低温、高低压下测量；光谱成像快、简便、分辨率高；仪器稳定、体积适中；维护成本低，简单；高灵敏性；谱峰尖化；无需荧光标记。应用：癌症的早期诊断、皮肤各层组织的分子浓度分布和药物分子对其渗透作用的体内无损检测、动脉粥样硬化斑组成的检测、病原体微生物的快速鉴定等等荧光光谱学工作原理是标记在生物大分子上各个荧光基团的各种特性的变化反映了有关分子间相互作用、酶活性、反应动力学、构象动力学、分子运动自由度及在化学和静电环境下活性改变的信息。标记方法有直接标记、间接标记。直接标记是将荧光团通过化学反应直接衔接在核酸的双链或单链上；而间接标记是将带有荧光团标记的NTP或dNTP通过酶反应掺入到新合成的核酸
13、链中。荧光光谱技术特点：操作快速、简单、方便；稳定、成本；低荧光团标记；低灵敏度；谱峰重叠；多重荧光探测受限。应用：DNA标定，抗体标定；利用荧光探针可以动态检测活细胞，活组织内的代谢过程，检测肿瘤等。5. 总结纳米材料的电学性能及物理基础。（10分）（1） 纳米金属晶体的电导1）纳米金属晶体的电导尺寸效应由于纳米晶材料中含有大量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大幅度上升，此时，纳米材料的界面效应对剩余电阻的影响是不能忽略的。因此，纳米材料的电导具有尺寸效应，特别是晶粒小于某一临界尺寸时，量子限制将使电导量子化（Conductance Quantization ）。因此纳米材料的电导
14、将显示出许多不同于普通粗晶材料电导的性能，例如：纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小；电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数；金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、非线性的 I-V 曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。由固体物理可知，在完整晶体中，电子是在周期性势场中运动，电子的稳定状态是布洛赫波描述的状态，这时不存在产生阻力的微观结构。对于不完整晶体，晶体中的杂质、缺陷、晶面等结构上的不完整性以及晶体原子因热振动而偏离平衡位置都会导致电子偏离周期性势场。这种偏离使电子波受到散射，这就是经典理论中阻力的来源。这种阻力可用电阻率来
15、表示：=L+r。式中， L 表示晶格振动散射的影响，与温度相关。r 表示杂质与缺陷的影响， 与温度无关 ，它是温度趋近于绝对零度时的电阻值， 称为剩余电阻。杂质、缺陷可以改变金属电阻的阻值，但不改变电阻的温度系数d/dT。2）电导波动及巨电导振荡在介观体系中可观察到金属导体的电导波动。所谓介观是指空间尺寸介于宏观和微观之间。介观系统电子行为的主要特征是电子通过样品之后仍能保持自己波函数的相位相干性。这就对样品的尺寸和温度加上了严格的限制。凡是出现量子相干的体系可统称为量子体系。介观范围由L KBT，否则单电子现象将被热起伏所淹没。因此，室温下观察单电子隧穿要求库仑岛的尺寸小至几个纳米的数量级；
16、隧道结的电阻必须远大于电阻量子 Rk= /e2 25.8K。该条件的物理意义可理解为：当在一个隧道结两端施以偏压 U 时，电子的隧穿几率= U / (eR) , 那么两次隧穿事件的时间间隔为1/=eR / U 。而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的周期为1 / eU, 因此，必须满足eR / U 1 / eU , 即 R /e2 。这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子一个一个地隧穿。（3）纳米材料的介电性能介电材料或电介质是以电极化为基本电学性能的材料。所谓电极化，是指材料中的原子或离子的正、负电荷中心在电场作用下相对移动（产生电位移）从而导致电矩的现象。产生电极化的主要机理有：电子位
17、移极化、离子位移极化、取向极化、自由极化。纳米介电材料具有尺寸效应和界面效应，这将较强烈地影响其介电性能。这些影响主要表现在：空间电荷引起的界面极化，由于纳米材料具有大体积分数的界面，在外电场的作用下在界面两侧可产生较强的空间电荷引起界面极化或空间电荷极化；介电常数或介电损耗具有较强的尺寸效应，例如在铁电体中具有电畴，即自发极化取向一致的区域。电畴结构将直接影响铁电体的压电和介电特性。随着尺寸的减小，铁电体单畴将发生由尺寸驱动的铁电-顺点相变，使自发极化减弱，局里点降低，这都将影响取向极化及介电性能；纳米介电材料的交流电导常远大于常规电介质的电导，例如纳米-Fe2O3、-Fe2O3固体的电导就
18、比常规材料的电导大34个数量级，纳米氮化硅随尺寸的减小也具有明显的交流电导。纳米介电材料电导的升高将导致介电损耗的增大。（4）纳米材料的压电效应压电效应是某些晶体受到机械作用（应力或应变），在其两端出现符号相反的束缚电荷的现象。压电效应的实质是由晶体的介质极化所引起的。例如，未经退火和烧结的纳米非晶氮化硅块体具有强的压电效应，而常规非晶氮化硅不具有压电效应。又如，纳米发电机的基本原理就是压电效应。（3） 总结纳米发电机的基本原理及最新进展。（请参考王中林最新纳米发电机一书）。（10分）（1）纳米发电机基本原理：压电效应，如图6-1所示。竖直生长的氧化锌同时具有半导体性能和压电效应。氧化锌纳米线
19、的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷，用导电原子力显微镜的探针弯曲单个氧化锌纳米线，输入机械能，再利用氧化锌的半导体性质将其纳米线的压电特性耦合起来，从而将电能暂时储存在纳米线内，然后再用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了纳米尺度的发电功能。（2）在最新的论文中，王中林团队报告了一种更加简单的装配技术。首先，他们种植了一类新的纳米线阵列，并将这些呈圆锥形纳米线从衬底上切除，放入乙醇溶液中，随后再将这种包含了纳米线的溶液滴在一个细小的金属电极和一块柔软的聚合物薄膜上。待乙醇挥发后，出现了一层新的纳米线/聚合物层，最后再利用大量的纳米线/聚合物层组建成
20、一类复合材料。王中林认为，这种过程可以对纳米发电机进行大规模的生产。得到的纳米发电机大小约为2厘米1.5厘米，当它被弯曲时，产生的电力足以点亮一个袖珍型计算器上的显示屏。在另外一篇发表于自然通信网络版的论文中，王中林和其他同事报告了一种新方法使用锆钛酸铅(PZT)来装配压电纳米线。PZT是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200摄氏度高温下烧结而成的多晶体。研究团队报告了首个可在导电和不导电衬底上的化学晶膜上生长的垂直式PZT单晶纳米线阵列。演示过程中，通过使用一个整流电路把交流电转换为直流电，PZT纳米发电机为一个激光二极管提供了电力，这表明，PZT也可以成为纳米发电机的组成原料。图6-1纳米发
21、电机原理示意图（4） 磁性材料分类，并举例说明纳米材料磁学性能的尺寸效应。（10分）（1）磁性材料按磁滞特性可粗略的分为软磁材料和硬磁材料两类；而纳米磁性材料主要包括纳米软磁材料、纳米复合永磁材料、巨磁化强度材料。（2）当磁性物质的粒度或晶粒进入纳米范围时，其磁学性能具有明显的尺寸效应。因此，纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。例如纳米丝，由于长度和直径比很大，具有很强的形状各向异性，当其直径小于某一临界值时，在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。此外，矫顽力、饱和磁化强度、居里温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关。a 矫顽力纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加符
22、合Hc=C/D；当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为：Hc=C/D6，其中C是与材料有关的常数。b超顺磁性超顺磁性是当微粒体积足够小时，热运动能对微粒自发磁化方向的影响引起的磁性。超顺磁性可定义为：当一任意场发生变化后，磁性材料的磁化强度经过时间后达到平衡态的现象。c饱和磁化强度、居里温度与磁化率 微米晶的饱和磁化强度对晶粒或粒子的尺寸不敏感。然而当尺寸降到20nm或以下时，由于位于表面或界面的原子占据相当大的比例，而表面原子的原子结构和对称性不同于内部的原子，因而将强烈地降低饱和磁化强度Ms。例如6nm Fe的Ms比粗晶块体Fe的Ms降
23、低了近40。纳米材料通常具有较低的居里温度，例如70nm的Ni的居里温度要比粗晶的Ni低40。也有研究报导直径在225nm时MnFeO4微粒的居里温度升高。纳米材料中存在的庞大的表面或界面是引起居里温度下降的主要原因。居里温度的下降对于纳米磁性材料的应用是不利的。纳米颗粒磁化率与温度和颗粒中电子数的奇偶性相关。一般而言，二价简单金属微粒的传导电子总数N为偶数；一价简单金属微粒则可能一半为奇数，一半为偶数。统计理论表明，N为奇数时，服从居里-外斯定律，与T成反比；N为偶数时，微粒的磁化率则随温度的上升而上升。（5） 总结石墨烯材料制备及性能研究最新进展。（10分）（1）石墨烯制备方法随着石墨烯研
24、究的升温，先后出现了各种类型的石墨烯合成方法，主要合成类型包括机械剥离法、SiC 基底上外延生长、溶液法、化学气相沉积（ChemicalVapor Deposition，CVD）法等：1）胶带法（或机械剥离法）安德烈杰姆和康斯坦丁诺沃塞洛夫2004 年正是用这种方法制备出了单层石墨烯。典型制备方法是用某一特种材料膨化高定向热解石墨，从中剥离出石墨片，然后将片的两面粘在一例特殊的胶带上，撕开胶带，就可将石墨片一分为二。连续不断地重复操作，这些石墨薄片将变得越来越薄，最后，即可得絮片状石墨烯晶体。该方法优点是较为简单，易操作，制备的石墨烯质量较好，但缺点为尺寸很难控制，石墨烯产率太低。2）SiC
25、基底上外延生长法该方法让碳原子在超过一千度高温下渗入钌基底，然后冷却到850 ，前一步骤渗入的大量碳原子将浮出到钌基底表面，如“镜面”般的单层碳原子均布满整个基质表面，即为一层石墨烯。第一层生长完后，第二层便开始生长。最底层的一层石墨烯将与钌基底产生很强烈的相互作用，导致第二层后就几乎全部与钌基底完全分离，该方法制备得到的单层石墨烯，质量较好，可用于电学器件研究等，但缺点是产量较低，石墨烯层数不易控制，且稀有的钌基底价格昂贵。3）水合肼化学还原法该方法的使用使石墨烯研究进入一个新的阶段。通常的水合肼化学还原法是先将石墨氧化物制成1 mg/mL 的水分散液，应用超声设备分散为均匀状态，随后加入水
26、合肼，100 回流24 h，过滤、反复洗涤、真空干燥即可得还原后的石墨烯。该方法简便易行，可制备较大规模的石墨烯，因此吸引了众多科技人员加入到石墨烯研究的热潮中。但该方法最大缺点是还原仍不够彻底，仍会引入大量缺陷（这主要源于该方法起始材料石墨烯氧化物往往采取强氧化剂制备，会引入大量缺陷），这使其应用受到较大限制。4）改良化学还原法正是注意到水合肼化学还原法的不足，很多研究者开始改良该方法，制备质量更好的石墨烯，如Samulski 等报道了一例硼氢化钠及水合肼两步法还原石墨氧化物的改良方法，制备得到缺陷较少的石墨烯产品。该方法主要原理即先利用硼氢化钠的强还原性去除石墨氧化物表面大量含氧基团，随后
27、再利用水合肼对环氧、羟基等基团的特有还原特性去除剩余含氧基团，从而制备得到缺陷相对较少的石墨烯产品。碱还原法中国学者Zhang 等直接用强碱（如氢氧化钠或氢氧化钾）还原Hummers 法制备的石墨氧化物，顺利制备得到石墨烯。该方法摒弃了其它特殊还原剂，直接利用价廉易得的碱液还原石墨烯氧化物制备石墨烯，实现了较好的突破。该方法缺点是仍然无法从源头上减少缺陷的引入。5）酸还原法Mokosko 等直接在pH 等于3 的酸性环境加热石墨氧化物至24 小时，过滤、复洗涤、真空干燥即可得石墨烯。该方法简便易行，缺点是还原不够彻底，石墨烯质量不高。6）水（溶剂）热法水热法或溶剂热法原理是利用水热或溶剂热的高
28、温高压条件，使石墨烯氧化物层间的大量含氧官能团迅速发生反应，释放出大量气体，从而使得石墨烯氧化物被还原成石墨烯。这也是一类重要的石墨烯制备方法。2009 年，Stride领导的小组率先利用溶剂热法制备得到克级的石墨烯产品，拉开了大规模制备石墨烯的序幕，相关工作发表在权威期刊Nature Nanotechnology上，在石墨烯研究史中具有阶段性意义。7）CVD 法CVD 法是在高温下（如1000 ），将气体碳源（如甲烷，乙炔等）均匀通过放有石英舟（内置含金属基底）管式炉，在金属基底上生长成石墨烯，该方法是一类重要的石墨烯制备方法，类似于上世纪碳管制备法，可实现较大规模石墨烯制备，也可实现大尺寸
29、石墨烯的制备，如Ruoff 等即利用CVD 法顺利在铜膜上生长出尺寸达0.3 mm 的石墨烯，该方法制备的石墨烯缺陷较化学溶液法大大较少。（2）石墨烯的性能研究最新进展1）特殊的电子特性和输运性能石墨烯独特的电子结构决定了其优异的电子学性能。组成石墨烯的每个晶胞由两个原子组成，产生两个锥顶点，如图8-1（b）所示，相对应的每个布晕渊区均有能带交叉的发生，在这些交叉点附近，电子能E取决于波矢量。单层石墨烯的电荷输运可以模仿无质量的相对论性粒子，其蜂窝状结构可以用2+1维的迪拉克方程描述。此外石墨烯是零带隙半导体，具有独特的载流子特性，并具有特殊的线性光谱特征，故单层石墨烯被认为其电子结构与传统的
30、金属和半导体不同。表现出非约束抛物线电子式分散关系。单层石墨烯表现出职极性电场效应，例如电荷可以存电子和空穴间连续调谐，所以在施加门电压下室温电子迁移率达到10000cm2V-1S-1表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300K下可达0.3 um)，且受温度和掺杂效应的影响很小。Novoselov等人观察到石墨烯在低温F的半整数量子霍尔相应，并通过石墨烯中的迪拉克点表现出非中断等距阶梯。石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致不规则量子霍尔效应的产生。利用单层石墨烯特有的电性能，由其所构成的微米级的传感器可以探测出NH3，CO，H20及N02在石墨烯表面的吸附。此外，Tombros等人研
31、究了微米级下石墨烯中电子自旋和拉莫尔旋进，清楚观察到电子的两级自旋信号，井且自旋弛豫长度不依赖于电流密度。Heersehe等人在石墨烯上连接两个电极，观察到有超电流经过，证明了石墨烯具有超导特性。 图8-1(a) 蜂窝状结构的石墨烯 (b)通过紧束缚近似获得的键能的统计分布(c)第一布里渊区2）力学性能石墨烯以sp2杂化轨道排列，键赋予石墨烯具有极高的力学性能，碳纤维及碳纳米管极高的力学性能正是来自于其基本组成单元石墨烯所具有的高强度。高模量的特征。通过实验可以制得独立存在的单层石墨烯，这对于研究石墨烯的本征强度和模量有着重要意义。哥伦比亚大学的Lee等人利用原子力显微镜测量了单层石墨烯膜的本
32、征弹性模量和断裂强度：利用纳米印刷法在硅基板上外延得到具有孔型图案的二氧化硅层，使用光学显微镜找到位于孔洞上方的石墨烯片层，通过原位拉曼光谱得到石墨烯的层数，固定石墨烯后，再利用原子力显微镜的探针对其力学性能进行测量。由于在二维尺度下，缺陷对于本征力学性能影响较小，此法可以得到较为真实的力学性能信息。作者还发现由于应力应变反馈曲线超过本征断裂应力，石墨烯表现出非线性弹性反馈，证实了这种非线性特征与三位弹性系数有关。通过这种测量方法可以得到石墨烯的本征强度和模量分别为125 GPa和1100 GPa，但是由于宏观材料中缺陷及晶界的存在，其相应的实际强度和模量较低。3）热学性能加州大学的研究人员利
33、用共焦显微拉曼光谱中G峰频率与激光能量的对应关系，测得硅Z氧化硅基板上的单层石墨烯的室温热导率。该热导率在(4.84+0.44)103到(5.30 4-0.48)103 Wm-1K-1范围内，并且单独测量了石墨烯G峰的温度系数。该实验所得石墨烯的热导率与单壁碳纳米管，多壁碳纳米管相比有明显提高，表明石墨烯作为良好导热材料具有巨大潜力。4)磁学性能由于石墨烯锯齿形边缘拥有孤对电子，从而使得石墨烯具有包括铁磁性及磁开关等潜在的磁性能。研究人员发现单氢化及双氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性。使用纳米金刚石转化法得到的石墨烯的泡利顺磁磁化率或兀电子所具有的自旋顺磁磁化率与石墨相比要高1-2个数量级。由三
34、维厚度为3-4层石墨烯片无定形微区排列所够成的纳米活性碳纤维在不同热处理温度下，显示出Cuire-Weiss行为，表明石墨烯的边缘位具有局部磁矩。此外，通过对石墨烯不同方向的裁剪及化学改性可以对其磁性能进行调控。研究表明分子在石墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的磁阻，位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。5）催化剂和药物载体碳材料在多相催化中一直受到广泛的关注，石墨化的碳材料，包括石墨、碳黑、活性碳、CNTs、碳纳米纤维等，已广泛用作催化剂的载体。大量的研究结果表明碳载体的结构对担载催化剂的性能有很大影响，石墨烯具有规整的二维表面结构，可以作为
35、一个理想的模板担载催化剂。MaStaJir等把Pd纳米颗粒固定到氧化石墨烯上，首次研究了Pd石墨烯氧化物纳米复合物催化剂的性能，该对液相中乙炔加氢反应有很高的催化活性和选择性。Scheuermann等把该催化剂用于催化Suzuki-Miyaura反应，与传统的PdC催化剂相比较，基于石墨烯的催化剂有着更高的催化活性。由于石墨烯具有单原子层结构，其比表面积很大，且由于其良好的生物相容性，非常适合用作药物载体。Dai等首先制备了聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散，然后利用乃吨相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38)负载到石墨烯上，
36、开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究。Yang可达2.35 g-1，远远高于其它的药物载体。6）气体传感器石墨烯的一些重要特性使其在传感器的制作及应用方面也有很好的发展前景，如石墨烯独特的二维层状结构使其有大的比表面积，而这是制作高灵敏度传感器的必要因素，事实上这也是其它纳米结构材料用作传感器制作的重要原因；石墨烯用作传感器的另一个重要原因是其独特的电子结构，某些气体分子的吸附能诱导石墨烯的电子结构发生变化，从而使其导电性能快速地发生很大的变化，如当NH3分子在石墨烯表面发生物理吸附后，NH3分子能够提供电子给石墨烯，形成n型掺杂的石墨烯；而吸附H20和N02等分子后，它们能从石墨烯接受电子，导致形成p型掺杂的石墨烯等Gemi等首次制备了石墨烯气体传感器，当气体分子吸附到石墨烯表面作为电子给体和受体时，石墨烯的电导率会发生改变。研究结果表明，当N02和H20吸附到石墨烯表面时，其作为电子受体能够有效的增加石墨烯的导电性，而NH3和CO分子吸附到石墨烯表面时是作为电子给体的，石墨烯的导电率会减小，当把吸附有气体的石墨烯在150下真空退火时，导电率将会恢复，利用这个原理可以实现对气体单分子（N02、NH3、H20和CO等)的检测。
