石墨烯硒化钼异质结的制备及光电特性的研究

石墨烯硒化钼异质结的制备及光电特性的研究
石墨烯硒化钼异质结的制备及光电特性的研究

Hans Journal of Nanotechnology纳米技术, 2018, 8(3), 31-36

Published Online August 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html,/journal/nat

https://https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html,/10.12677/nat.2018.83005

The Preparation and Photoelectric

Properties of Graphene/Molybdenum

Selenide Heterojunction

Tao Peng, Mingyan Guan, Cheng Xu, Qiang Zhang, Ke Xu, Lin Zhu, Xiying Ma

School of Mathematics and Physics, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou Jiangsu

Received: Jul. 24th, 2018; accepted: Aug. 13th, 2018; published: Aug. 20th, 2018

Abstract

In this experiment, the preparation of heterojunctions of two novel nano-film materials, graphene and molybdenum selenide, was attempted. Graphene was prepared by chemical vapor deposition on MoSe2 film prepared by chemical vapor deposition (CVD), and then copper (Cu) contact elec-trode was deposited by magnetron sputtering. The graphene was characterized and its properties were studied. Finally, graphene and MoSe2heterojunctions were formed through the necessary process steps and their photoelectric properties were examined. Under the standard light source, the short-circuit current is about 2.4 nA, and the open circuit voltage is about 4 mV. It can be seen that the graphene/selenium molybdenum heterojunction can be used in solar cells, sensors, light-emitting diodes, lasers and the like. The current ratio is about 2.69 with or without light.

Visibly, graphene/selenide molybdenum heterojunction has good photovoltaic properties.

Keywords

Graphene Film, MoSe2 Film, Heterojunction, Photovoltaic Characteristics

石墨烯/硒化钼异质结的制备及光电特性的研究

彭涛,管明艳,徐铖,张强,许珂,朱琳,马锡英

苏州科技学院,数理学院,江苏苏州

收稿日期:2018年7月24日;录用日期:2018年8月13日;发布日期:2018年8月20日

摘要

本次实验尝试对石墨烯与硒化钼这两种新型的纳米薄膜材料进行异质结的制备。在利用化学气相沉积

彭涛等

(CVD)制备出的MoSe2薄膜上用化学气相沉积制备出石墨烯,然后采用磁控溅射沉积铜(Cu)接触电极,对石墨烯表征并对其性质研究。最后经过必要的工艺步骤下形成石墨烯和MoSe2异质结并检测其光电特性。在标准光源照射下,短路电流约为2.4 nA,开路电压约为4 mV,可知石墨烯/硒化钼异质结可以用于太阳能电池、传感器、发光二极管、激光等领域。有无光照时电流比值约为2.69,可见石墨烯/硒化钼异质结具有良好的光伏特性。

关键词

石墨烯薄膜,MoSe2薄膜,异质结,光伏特性Array Copyright ? 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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1. 引言

石墨烯是单层碳原子组成的蜂窝状二维晶体材料,具有很高的光透过率、高热稳定性、超强的力学性能、优异的导电性和半整数霍尔量子特性等[1],尤其是在室温下电子迁移率高,使其作为后硅时代的一种神奇材料,可用于传感器和纳米电子器件[2],储能和新型显示和生物医药复合材料等[3] [4] [5]。

过渡金属硒化钼也具有三明治的类石墨的层状结构[6] [7],每个钼原子被六个硒原子包围且Mo-Se 棱面多具有较高的表面活性和优异的催化活性,具有较低摩擦系数,可作为润滑剂[8]和催化剂[9]。单层的MoSe2薄而透明,具有良好的光学和催化特性,在紫外发光和光探测领域具有极大潜能[10]。另外,块状MoSe2成为单层时,其电子带隙从间接带隙转变为直接带隙半导体材料,直接带隙半导体材料具有较高的电子跃迁几率和较高的光电转换效率,可用于制备基于MoSe2的光伏探测器以及薄膜太阳能电池等[11]。

石墨烯和硫化钼、硒化钼等过渡金属硫化物二维材料很容易形成范德瓦尔斯异质结。研究人员发现,这种不同二维材料构成的异质结器件光子吸收率强、光电流增益高,响应时间短等特点,可用于制备各种新型的二维光探测器、光响应存储器等等器件。目前,石墨烯和硫化钼基的异质结已被广泛研究,而硒化钼基的异质结则研究的较少。本文利用化学强沉积方法制备了石墨烯/硒化钼异质结,并研究了其接触特性和异质结的光电特性。

2. 实验

2.1. 原材料

石墨烯和硒化钼薄膜的制备前驱物分别为纯净的MoSe2粉末和高纯甲烷(99.999%);所用的衬底材料为Si (111)片;其它原料为去离子水、稀HF酸溶液、纯净的氩气和氮气(纯度99.999%)。

2.2. 制备方法

采用CVD法在Si (111)上沉积MoSe2薄膜,然后再硒化钼薄膜上生长石墨烯薄膜形成石墨烯/硒化钼异质结。反应系统由真空抽气系统、供气系统、温控加热系统、水浴加热系统、气体流量计组成,实验装置见图1中的示意图。1 cm2大小的Si片在稀HF酸中浸泡10 min以去除表面致密的SiO2,然后用去离子水超声波清洗5 min、N2吹干后,放到石英管的中央使其沉积均匀分布。5 g分析纯MoSe2粉末放置

彭涛 等

于载玻片上,放在石英管的进气口处,密封后将石英管内压强抽至10?2 Pa 后进行实验。实验条件:反应温度750℃、反应时间20 min ,Ar 气流量25 cm 3/min 。Ar 气携带MoSe 2的饱和蒸汽分子在Si 衬底上吸附并沉积形成MoSe 2薄层。沉积完成后,待石英管温度降至室温时,取出部分样品待测。剩余部分样品继续生长石墨烯薄膜。将石英管再加热到850℃时,通入甲烷生长石墨烯,反应时间(5 min)。对制备好的样品进行表面形貌、X-射线衍射、反射率,伏安特性等测量,探究其光电效应。

3. 实验结果与分析

采用原子力显微镜(AFM)对石墨烯和硒化钼薄膜表面进行了表征。如图2(a)、图2(b)所示。在图2(a)中,图2(b)可知在薄膜表面存在均匀的硒化钼纳米柱,处于下方的硒化钼薄膜为连续均匀的薄膜,其平均厚度在10 nm 左右。硒化钼薄膜表面积年颗粒密度较大厚度约为3.7 nm ,明显呈锥形生长。同时,由于硒化钼薄膜表面的颗粒连续密集且具有较大的面积,利用X 射线衍射仪分析MoSe 2薄膜和Si 衬底的晶面结构。如图3所示,在MoSe 2薄膜上有两个尖锐的衍射峰,分别位于235?和261?,分别对应MoSe 2的(103)和(400)晶面,说明实验得到的样品是多晶的MoSe 2薄膜。从衍射峰的强度看,(400)晶面强度远大于(013)晶面的强度,说明MoSe 2在(400)晶面方向具有优先生长的取向。另外,这两个衍射峰都呈线状,具有很窄的半高宽,说明生长的硒化钼薄膜的结晶度较为良好,且具有均匀的尺寸。显然,这与图3中呈点状生长的MoSe 2很一致。

石墨烯、硒化钼以及石墨烯/硒化钼表面反射率如图4所示。比较三条反射谱线,石墨烯样品的反射率最小,在200~700 nm 波段石墨烯的反射率趋于平缓并保持在1~2的较低范围内,在700 nm 附近反射率急剧下降。这是由于石墨烯对可见光吸收小、透过率很高,所以在可见光波段其反射率比较小。而对

Figure 1. Two dimensional representation of experimental facilities

图1. 实验装置示意图

(a) (b) Figure 2. (a) Graphene surface AFM morphology diagram; (b) surface morphology of MoSe 2

图2. (a) 石墨烯的表面AFM 形貌图;(b) 硒化钼薄膜的表面形貌

彭涛等

Figure 3. MoSe2 film XRD diffraction map

图3. MoSe2薄膜XRD衍射图

Figure 4. Reflectance of graphene, Molybdenum selenide and Heterojunction

图4. 石墨烯,硒化钼以及异质结的反射

波长大于700 nm的近红外光,则有较强的吸收,因而其反射率急剧减小。硒化钼薄膜的反射率在275、375和750 nm波长处出现反射率极小值。反射极小值对应其吸收最大值,表明MoSe2薄膜在这些波段范围附近具有较强的光吸收率。在733.97 nm处,MoSe2薄膜有强的光吸收能力,可认为是MoSe2薄膜的光吸收限,对应的带隙宽度为1.69 eV。这与研究人员报道的单双层硒化钼材料的带隙宽度1.55 eV相近。

对于硅衬底上的MoSe2薄膜,在275和375 nm的吸收峰可能是由于边界不饱和键、表面悬挂键和表面态等引起的。石墨烯/硒化钼异质结表面的反射率大小与趋势基本与硒化钼薄膜的反射率基本一致,随波长增加,反射率逐渐减小。可见,异质结的反射率受硒化钼影响比受石墨烯的影响大。理论上分析,单层硒化钼薄而透明故相同光强下反射率受其影响大,然而异质结的光子吸收率强,相同光强下,反射率变化不明显,导致受石墨烯影响不够大。

利用霍尔效应仪测量850℃-5 min石墨烯/750℃-20 min硒化钼异质结的I-V特性曲线。如图5所示,实验过程中分别测量了V ab、V bc、V cd、V da这四个极间的I-V特性曲线,发现四个极间的I-V特性曲线满足良好的线性关系,可见生长的石墨烯/硒化钼异质结具备良好的电特性。由图可知,V ab、V bc、V cd 三个极间在电流为?1.25 nA~1.25nA范围内时斜率变化极大,V da极间在电流为?1.25 nA~2.5 nA范围内斜率变化极大,可见,四个极间伏安特性良好。V ab、V bc、V cd三个极间电流为0 A时电压为0 V,可能是样品在这三个极间阻值过大导致,然而在V da极间时图像不过原点,且两端不弯曲,说明该极间阻值正常,实验结果具有可靠性。

彭涛等

利用霍尔效应仪测量并绘制850℃下,反应时间为5 min的石墨烯的I-V特性曲线。如图6所示,实验过程中分别测量了V ab、V bc、V cd、V da这四个极间的I-V特性曲线,发现四个极间的I-V特性曲线满足良好的线性关系,可见生长的石墨烯样品具备良好的电子特性。由图可知,当电流在?2.5 nA~2.5 nA范围内时斜率变化极大,因此得出结论,各电极间伏安特性良好。图中部分弯曲部分的出现可能是因为导电银胶与样品接触的阻值过大导致,这点也可从电流为0 A时电压为0 V得到考证。

图7中显示了石墨烯/硒化钼异质结在有无光照时的I-V特性曲线。不难看出,在无光照的情况下,

Figure 5. The I-V characteristic curve of 850?C-5 min Gr/750?C-20 min MoSe2 heterojunction

图5. 850℃-5 min石墨烯/750℃-20 min硒化钼异质结的I-V特性曲线

Figure 6. The I-V characteristic curve of 850?C-5 min Gr

图6. 850℃ 5 min石墨烯的I-V特性曲线

Figure 7. The I-V characteristic curve of Gr / MoSe2 Heterojunction with or without light

图7. 石墨烯/硒化钼异质结在有无光照时的I-V特性曲线

彭涛等

加反向电压时电流几乎为0,加正向电压时电流指数缓慢上升。由此可见,石墨烯/硒化钼异质结具有很好的整流性,可以很好的应用于pn结。对其加以标准光源进行光照,由图可知,通过光照,内电场E加速,导致光生电子和空穴快速分离,形成光伏效应,从而得以研究石墨烯/硒化钼异质结。石墨烯/硒化钼异质结的开路电流为2.4 nA,短路电压为4 mV。结合数据发现,开路电流和短路电压数值偏低,分析原因猜测可能是薄膜的阻值过大,需结合实际对实验进行优化。将?0.5 V时光照电流与无光照时电流作比,即得I1/I2约为2.69,发现石墨烯/硒化钼异质结具有良好的光伏特性。

4. 结论

本实验采用了化学气相沉积法制备了石墨烯与硒化钼,并对其异质结进行光电特性的研究。结果表明,该异质结可用于太阳能电池、传感器、发光二极管、激光等领域。结合异质结的组成与实验的结果,制备出的薄膜在纳米电子器件、储能和新型显示以及作为生物医药复合材料有着巨大前景。对实验过程分析可知,后期我们将对石墨烯的生长工艺进行优化,从而更好的探究石墨烯/硒化钼的制备及其光电特性研究,最后加强对薄膜的剥离与期间的制作与研究。

致谢

该工作受到国家自然科学基金项目(No. 31570515)、苏州市科技计划项目(No. SYN201511)、苏州科技大学科研基金项目(XKZ201609)和江苏省研究生科研创新计划项目(No. KYCX17-2061)支持。

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石墨烯基本特性

2004年,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,用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯,打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元,它可以包裹成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨,如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm,每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连,S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合,组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa,破坏强度为42N/m,杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右,是世界上最薄的二维材料。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。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。(百度百科)石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍,甚至还要超过钻石,是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。

石墨烯结构示意图(10) 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体,例如硅和铜,由于电子和原子的碰撞,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方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中,每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子,在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键,可以在晶体中自由高效的迁移,且运动速度高达光速的1/300,电子能量不会被损耗,赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽

石墨烯介绍

1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体,碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中,如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外,剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键,电子可在此区域内自由移动,从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时,这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元,如图2所示,单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯,单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2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 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构,决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述,石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子,这些电子可形成与平面垂直的π轨道,π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动,从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s),相当于光速的1/300,在特定条件,如液氦的温度下,更是可达到250000cm2/(V·s),远远超过其他半导体材料,如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的,不会发生散射,使其具有优良的电子传输性质。同时,石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质,比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键,因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近,哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能,发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa,断裂强度更是达到了130GPa,比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低,因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递,而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管,更是比一些常见金属,如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外,石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子,使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构,使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能,单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本,石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料,首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中,随着体系聚合反应进行,最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中,得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散,还原后与聚合物进行溶液共混,从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

氧化石墨烯薄膜的光电化学性质

2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539~2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539~2542 * E-mail: kzwang@https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试

2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L-1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL-1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C=O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL-1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L-1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏

石墨烯文献检索

《文献检索与科技论文写作》作业 学生姓名 年级专业 班级学号 指导教师职称

目录 第一部分文献查阅练习 (1) 第二部分文献总结练习 (7) 第三部分科技论文图表练习 (8) 第四部分心得体会 (11)

第一部分文献查阅练习 1、黄毅,陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用.中国科学B辑:化学2009年第39卷第9期:887-896 摘要:石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料,其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质.过去几年中,石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点.在石墨烯的研究和应用中,为了充分发挥其优良性质,并改善其成型加工性(如分散性和溶解性等),必须对石墨烯进行功能化,研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作.但是,关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段,对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识.如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战.本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展,并对功能化石墨烯的应用作了介绍,最后对相关领域的发展趋势作了展望. 关键词:功能化应用 2、胡耀娟,金娟.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用. 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)Acta Phys.-Chim.Sin.,2010,26(8):2073-2086 摘要:石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质.有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一.本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词:制备功能化应用. 3、杨永岗,陈成猛,温月芳.新型炭材料.第23卷第3期 2008年9月:193-200 摘要:石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体,也是性能优异的新型纳米复合填料。近三年来,石墨烯从概念上的二维材料变成现实材料,在化学和物理学界均引起轰动。通过述评氧化石墨及氧化石墨烯的制备、结构、改性及其与聚合物的复合,展望了石墨烯及其复合

石墨烯性能简介

第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、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层以内的石墨结构也可称作石墨烯,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结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构,由六边形晶格组成,理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外,石墨烯稳定的正六边形晶格结构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)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图

2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片,由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键,连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元,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紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构,看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中,每个碳原子通过 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类似苯环,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。 石墨烯的结构非常稳定,碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时,碳原子面会发生弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构,能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒,势垒随条带宽度的减小而增大。因此,通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

石墨烯在光电子器件中的应用

石墨烯在光电子器件中的应用 摘要:石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱,以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性,石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展,并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字:石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,具有独特的零带隙能带结构,是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构,还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大,断裂强度比优质的钢材还要高,同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料,其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的,因此光的透过率可高97.7%。此外,石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容,器件的构筑、加工、集成简单易行,在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前,人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件,并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构,并且能分解为零维富勒烯,也可以卷曲成一维碳纳米管,或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定,碳原子连接比较柔韧,当施加外力时,碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下,单层石墨烯并非完美的平面结构,表面不完全平整,在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱,而在薄膜内部褶皱并不显,多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系,所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段,可以有效地调节石墨烯的化学势,使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近,约为4.3eV,因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应,证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数,并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下,光在

最新石墨烯基础知识简介

1.石墨烯(Graphene)的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2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sp2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sp2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。 少层石墨烯(Few-layer or multi-layer graphene):指由3-10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ABC 堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯(Graphenes):是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少

石墨烯光电探测器

石墨烯光电探测器 第一节纯石墨烯光电探测器 2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理 有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。这里包括光伏效应,光的热效应,热辐射效应,光选择效应和等离子体波辅助机制。 (a)(b) (c)(d) 图2.1 石墨烯光电探测原理(a)光伏效应;(b)光热电效应;(c)测辐射热效应;(d) 辅助的等离子体波机制(引自[27]) 光伏效应 光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。石墨烯是半导体,自身会产生了大量的暗电流,不适于外置电路。内置区域可以用本身的化学掺杂,通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的

方向仅依赖于电场,而非整体的掺杂程度。因而其可从p-n到n-p,或者从p-p+到p+-p之间转换信号。 光热电效应 辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用,光激电子对可以给载流子快速(~10-50fs)加热。因为光频声子能量(~200meV)在石墨烯中很大,辐射产生的热载流子可以保持在一个温度 上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。 光生热电子通过光热电效应(即PTE或塞贝克效应)产生光电压=(-),其中(在V )是不同掺杂石墨烯区域的热电动力(温差电势率),是不同区域电子温度差。 辐射热效应 辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP,并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP,还有热容量,其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度,因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流,而要求有外置的偏压,不需要引进p-n结。 由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制:⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变;⑵对电流有贡献的载流子数目的改变(如PV效应)。 光门效应 光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变,因而其电导率=。第一,电子-空穴对的生成发生在GRM 中,随后其中之一被复合(例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中)。第二,电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中,分子,或者陷阱电荷中。接着,一种载流子转移到GRM,同时其他的载流子待在微粒,分子或者陷阱中。 通过运用高迁移率的导体和长的响应时间,提高光电导的增益。同时,长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上,例如视频图像电流。所以合适的评估不仅来自响应度,还有其噪声等效功率(NEP)和特殊的探测能力。 辅助的等离子体波机制 Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案,即通过凭借场效应晶体管

与石墨烯相关的特征剖析

1 拓扑绝缘体 自然界的材料根据其电学输运性质,可分为导体,半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面(如图a所示),半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中(如图b所示)。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态,这些无能隙的边缘激发处在禁带之中,并且连接价带顶和导带底(如图c,d所示)。从这个意义上讲,拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论,费米能落在晶体材料的带隙中时,材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体,存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体,当考虑存在边界的拓扑绝缘体时,将出现贯穿整个能隙的边界态,这些特殊的边界态和体系的拓扑性质(由体系的拓扑数决定)严格对应,因而只要不改变体系的拓扑性质,这些边界态就不会被破坏。 拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙,但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似,它的费米能级位于导带和价带之间,而在其表面存在一些特殊量子态,这些量子态位于块体能带结构的带隙之中,从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定,与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定,所以它的存在非常稳定,基本不会受到杂志与无序的影响。 从广义上讲,可分为两大类:一类是破坏时间反演的量子霍尔体系;另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。 2半金属 semimetal halfmetal 半金属:介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看,金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的,电子能自由运动,有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带(又称价带),价带与导带之间的禁带宽度较大。

石墨烯介绍

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

浅谈石墨烯的发展与应用

浅谈石墨烯的发展与应用 碳元素广泛存在于自然界,其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后,三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的,那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗?关于准二维晶体的存在性,科学界一直存在争论。早先科学家认为,准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性,在室温环境下会迅速分解或拆解,长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene,掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现,其应用价值才能被肯定,但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短,但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质,并且在应用方面有可预见的价值。 一、Graphene的结构 Graphene是由碳原子六角结构(蜂窝状)紧密排列的二维单层石墨层。每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接,由于每个碳原子有四个价电子,所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。同时,Graphene还可以包成0维富勒烯,卷成1维碳纳米管,叠成3维石墨,它是众多碳质材料的基元,如果对Graphene有更深入的了解,就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明,Graphene层并不是完全平整的,它具有物质微观状态下固有的粗糙性,表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm,也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的,具体原因还在进一步研究中。 在回顾关于Graphene早先的工作之前,定义什么是2维晶体是很有用的。很显然,单原子薄层是2维晶体,100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料?对于Graphene,这个问题变得比较明朗。众所周知,电子结构随着层数的变化而迅速演变,10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下,单层和双层Graphene都有简单的电子光谱:它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体(亦即零交叠半金属)。对于三及三以上数目的薄层,光谱将变得复杂:许多电荷载体出现,导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类:单、双、多(3到<10)层Graphene,更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 二、Graphene的性质 虽然有很多新的2维材料,但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上,而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公

石墨烯在热领域的特性及利用

特性机理: 在石墨烯中,碳原子在不停的振动,振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动,不仅仅影响石墨烯的形貌特征,还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。 对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 由石墨烯的导热系数经验公式 -2bd 8f 可得如下图表 150 200 250 300 350 400 斟度心 从图中看岀来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下,导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。 由经典的热传导理论可知,随着温度的升高,晶格振动加强,声子运动剧烈,热流中的声子数目也增加。 声子间的相互作用或碰撞更加频繁,原子偏离对平衡位置的振幅增大,引起的声子散射加剧,使导热载体 (声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯,电子的运动 对导热也有一定的贡献,但在高温情况下,晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的,起主导作用。 二?应用: 发热: 由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比, 1加热速度快(1min内达到稳定工作温度,而传统取暖如油汀需要20min才能达到稳定温度) 10 000 HD00 4 000

2电热辐射转换效率高(经第三方检测,电热辐射转换效率达80% 以上),与传统取暖方式相比可节能省电; 3石墨烯加热膜是整个面加热,温度均匀分布; 4石墨烯加热膜与某些对人体有害辐射的取暖方式相比是安全的。 例子: 1制作理疗护具石墨烯的高导电、导热性能应用在理疗护具领域,利用石墨烯在发热过程中产生的远红外线,与人体波长相同,产生共振作用,形成热反应,深入皮下组织,使毛细血管扩张,促进血液循环,强化组织新陈代谢,提高机体免疫能力,排除疲劳,缓和酸痛,从而起到消炎、镇痛的理疗保健作用。 2制作发热服石墨烯智能发热服将石墨烯独特的导热性能和日常穿戴完美结合,为人体营造温暖舒适的感受,通过手机端app 的控制可以使得发热服迅速升温,产生对人体有益的远红外线,为生活带来更好的健康理疗体验,重新定义温暖。 散热: 石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数,单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK ,不仅优于碳纳米管,更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等,因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。 1 石墨烯导热塑料的开发,可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品,例如各种电子设备(如LED 灯)的外壳散热,目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 ? 例子:飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED 应用,其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代,其效果不仅达到了同等级的散热目的,而且整个灯具更轻,耐腐蚀。 2 石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片,实测的热导率可达到1000W/mK 以上,同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料 例子:苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的,因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。 储热: 石墨烯具有高导热性这一特性在热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。应用最新的石墨烯材料,结合现有的工艺和设备,实现能耗的大幅下降,帮助传统产业满足越来越严格的环保法规,获得企业生存空间。 原理:在热工设备中,热的传递主要有两种形式, 一种是热能直接传递给物料,代表炉型是加热炉等,石墨烯材料可用在烟气余热回收上 另外一种是热能先传递给导热储热材料再传递给物料,代表炉型为焦炉、热风炉等,石墨烯可用在开发高导热材料上 1 石墨烯相变储热材料在热风炉上可以得到应用,以取代目前的格子砖,减少设备体积。

石墨烯的表面性质及其分析测试技术

Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57 Published Online May 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html,/journal/japc https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html,/10.12677/japc.2016.52006 Progress in Surface Properties and the Surface Testing of Graphene Jinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu1 1School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, Shanghai Received: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/7f5661089.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Graphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion. Keywords Surface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene 石墨烯的表面性质及其分析测试技术 戴进峰1*,王国建1,2,吴承恳1 1同济大学材料科学与工程学院,上海 *通讯作者。

石墨烯的特殊性能

石墨烯的特殊性能 摘要:石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料,它是由碳原子组成的二维六角点阵结构,具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性,是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统,且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构,特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展,通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字:石墨烯,结构,特殊性能,超晶胞,电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中,碳碳键长为0.142nm,厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元:例如:石墨,碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此,石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

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,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 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料,在靠近布里渊区6个角处的低能区,其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零,这里的电子或空穴是相对论粒子,可以用自旋为1/2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm/(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm ),在10~100K范围内,迁移率几乎与温度无关,说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射,因此,可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率,长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm /(V〃s),其相应的电阻率为lO -6 〃cm,

石墨烯以及导热性质的介绍

石墨烯以及导热性质的有关介绍 石墨烯( Graphene)又叫单层石墨,是构造其他石墨材料的最基本的材料单元。石墨稀是由sp2碳原子以蜂窝状晶格构成的二维单原子层结构。每个碳原子周围有3个碳原子成键,键角120°;每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键。在石墨烯中,碳原子在不停的振动,振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动,不仅仅影响石墨烯的形貌特征,还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 根据有关资料的显示,对石墨烯晶格振动的研究可利用价力场方法。在价力场方法中,石墨烯内所有原子间的相互作用力可以分为键的伸缩力和键的弯曲力。从经典的热学理论出发,对石墨烯的导热系数进行研究。 一、以下是石墨烯薄片的热通量有关的表达式:

上面理论计算的导热系数主要由石墨烯的声子频率、声子的支数和声子的作用过程等决定。从得出的结果出可以得出以下的图表: 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下,导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。由经典的热传导理论可知,随着温度的升高,晶格振动加强,声子运动剧烈,热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁,原子偏离对平衡位置的振幅增大,引起的声子散射加剧,使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯,电子的运动对导热也有一定的贡献,但在高温情况下,晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的,起主导作用。 二、石墨烯的导热系数经验公式 式中 Xg 是温度系数,L 是单层石墨烯的中间部分与散热片之间的距离,h 是单层石墨烯厚度,d 为单层石墨烯的宽度,δf 是G 峰位移,δP 是样品的热功率的变化。从经验公式可以看出,石墨烯的导热系不同宽度的石墨烯薄 片的导热系数与温度 的关系

石墨烯的光电特性及应用

石墨烯的光电特性及应用 发表时间:2018-05-22T16:11:26.693Z 来源:《基层建设》2018年第4期作者:葛正源 [导读] 摘要:石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究,在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。 北京送变电有限公司北京 102401 摘要:石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究,在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。有关学者也语言石墨烯在未来可能代替硅化材料,发展成为电子元件发展的重要部件,本文也综述了这种物质的光电特性及其应用。 关键词:石墨烯;光电特性;应用 一、石墨烯概述 石墨烯是科学家最早发现的一种具有稳定二维结构碳的材料,是一种理想的二维碳质晶体。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面状薄膜。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构单元,单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335nm,碳的其他存在形态为碳纳米管、石墨、富勒烯、金刚石(图 1)。石墨烯是已知自然界稳定存在的最薄的材料,并且具有极大的比表面积、超高的导热率、超强的导电性和强度等优点,因此其拥有良好的应用和市场前景。 2004年英国曼彻斯特大学的2位物理科学家——安德烈?海姆教授(Geim)和康斯坦丁?诺沃肖洛夫教授(KonstantinNovoselov),在实验室中成功从天然石墨片中第一次剥离出了具有二维结构的石墨烯,从而证明了二维材料在自然状态下可以单独存在,因这个革命性和颠覆性的发现,2位教授共同在2010年获得诺贝尔物理学奖。在此背景下,石墨烯的众多方向研究如火如荼的展开,并且迅速在全球范围里掀起了石墨烯制备、石墨烯复合技术和材料、石墨烯下游产品等的研究热潮。石墨烯材料超强的物理、化学和机械等主要特性如图2所示。 目前石墨烯的制备方法主要分为“自下而上(down-up)”和“自上而下(up-down)”2大类方法。而“自下而上(down-up)”法是通过碳原子的重构来合成石墨烯材料,是从一种形态到另一种形态的转变,它包括化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、有机合成法等。“自上而下(up-down)”法是通过剥离天然石墨材料来制备石墨烯片层,可以分为物理法和化学法,如微波机械剥离法、物理液相剪切分离法、电弧法、氧化还原法、超临界法、碳纳米管轴向切割法等。 基于石墨烯材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学、机械、声学、电化学、力学、热学等性能,它是极具发展前景和潜力的电池电极材料。目前把石墨烯做为电池导电剂是石墨烯研究的一个热点方向。 图2石墨烯的主要物理化学特征 二、石墨烯材料主要特性 1、石墨烯的电学性质 石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成,这种构成方式会多出一个p轨道的电子,从而形成大π键,π电子可以自由的移动,这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间的引力和排斥力都很强,在常温状态,石墨烯内部的电子很少会受到外部影响,电子在移动时不容易产生散射现象,迁移率是硅中电子的130倍,其电导率达到了106S/m,是常温下导电性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性,它的导带和价带之间有一部分是重叠的。利用这一特性,人们已经开始试着把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨烯薄膜的技术已经比较成熟,这加大了它在电子信息领域应用的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。 2、石墨烯的光学性质 石墨烯有着非常优良的透光性,在近红外,以及可见光波段的透光率,单层石墨烯可高达98%。在可见光区,单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%,当达到数十层时,会上升到2%左右。Li等人对石墨烯进行了研究,利用700—8000cm1谱段,发现石墨烯内部结构中存在多子交互作用(Many—BodyInteractions)。石墨烯是一种“光学透明”的导体,具有稳定的晶格结构,电子在石墨烯上以恒定的速率移动,石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。石墨烯里电子的有效质量为零,这和光子的行为极为相似。 三、石墨烯光电应用领域 1、光电探测器 光电的探测是将光能信号转换为电流信号。传统的光电检测都是基于传统半导体材料进行的,这些检测器的性能会因为材料属性的限制而改变。和传统的半导体材料相比较,石墨烯没有能带的间隙,可以吸收的光范围也是较大的。除此之外,过高的载电子迁移率让石墨烯成为科学家眼中制作光电探测器的优异材料。 最近几年,学者Ecthermeyer等人利用金属的等离子体和石墨烯进行结合,这种方法所得出的结构是和石墨烯光电探测的光电流一致的,而且这比较于没有等离子纳米结构的元件来说要高出一个数量级。而且因为等电子体产生一定的共振,纳米结构的稳定性被大大提高,单层原子厚度的石墨烯可以全面的受到这种等离子体的增强。 2、透明导体 所谓透明导体,是指由触摸屏、二极管以及太阳能电池组成的,对于表面电阻和透明度要求较高的器件的核心组件。作为电极的设备

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