石墨烯纳米带光电性质研究
湖南师范大学
硕士学位论文
石墨烯纳米带光电性质研究
姓名：彭昕祥
申请学位级别：硕士
专业：凝聚态物理
指导教师：周光辉
20090401
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究
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论文题目：石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究 专业：微电子学 本科生：朱善旭（签名）___________ 指导教师：徐大庆（签名）___________ 摘要 随着集成电路技术的快速发展，集成密度，速度和存储器容量等集成电路性能指标的进一步发展必须要减小设备的尺寸。但是随着器件尺寸不断减小，硅材料较小的载流子迁移率，较低的热传导率，较差的稳定性成为了集成电路行业进一步发展的障碍，因此寻找新的材料来代替硅成为了科学研究的热点。石墨烯具有极高的电子迁移率（15000cm2·V- 1·S - 1）和优良的热传导率（3-5KW·m- 1·K- 1），因此，石墨烯被认为是可以取代单晶硅或者与单晶硅相结合，进而保持集成电路继续沿着摩尔定律提高性能的一种重要的新材料。 众所周知，本征石墨烯是一种带隙为零的半金属材料。如何打开石墨烯纳米带的带隙，使之具有半导体的基本性质，是研制石墨烯基半导体电子器件的重要条件之一。本研究基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio程序及其CASTEP 模块研究如何改变石墨烯纳米带的能带结构。首先通过建立扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带模型计算分析不同形状的石墨烯纳米带的能带结构，并改变石墨烯纳米带的长度和宽度以及纳米带的层数研究结构变化对石墨烯纳米带带隙的影响，然后通过建立掺杂、吸附模型研究其各自对石墨烯纳米带带隙的影响，最后研究应力下的石墨烯纳米带的能带结构。 研究表明，不同长宽的石墨烯纳米带能带结构有变化。在长度较小，宽度适中时扶手椅型石墨烯纳米带带隙较大，长宽均较小时锯齿型石墨烯纳米带带隙较大，双层结构的石墨烯纳米带的带隙相对单层也会发生变化。另外，掺杂和吸附均可实现石墨烯纳米带能带结构的调控，但吸附对石墨烯优越的电学特性改变较小。最后，研究发现应力的存在使石墨烯纳米带的带隙减小。 关键词：石墨烯纳米带，能带结构，带隙，掺杂，吸附
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
石墨烯纳米带的制备及其应用
石墨烯纳米带的制备及其应用： [1]于璇,刘一,叶雨萌,肖胜雄.石墨烯纳米带的制备方法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2018,47(05):539-551+508. 石墨烯是一种二维大平面结构, 为了维持其自身的稳定, 很容易产生皱褶、起伏等结构缺陷.因此, 近年来研究者们开始着重研究石墨烯不同形态的衍生物.其中, 石墨烯纳米带(GNRs) 成为继CNTs之后被广泛关注的一类准一维碳基纳米材料.GNRs是指宽度小于50 nm的石墨烯条带, 其理论模型最初于1996年由FUJITA等[3,4,5]提出, 以检查石墨烯中的边缘和纳米级尺寸效应.由于其具有高载流子迁移率, 石墨烯也被公认为是纳米电子学未来最有应用前景的材料之一.尽管如此, 在纳米电子学中利用石墨烯的最大挑战之一就是其缺乏足够大的带隙[6].因为没有带隙, 则难以关闭石墨烯场效应晶体管(FETs) , 导致较小的开关比, 所以石墨烯不能直接应用于晶体管.要想在打开石墨烯带隙的同时保证其载流子迁移率不下降, 最好的办法就是将石墨烯裁剪成宽度较小的GNRs.当材料的尺寸变得等于材料中电子运动的特征长度时, 材料的性质在很大程度上取决于其尺寸和形状.GNRs结构引起的量子限域可以引入相当大的带隙, 使得GNRs可以应用于纳米电子学中.虽然GNRs不具有石墨烯那样易于器件化的平面结构, 但它继承了石墨烯的许多优异性质, 且由于GNRs特殊的边缘限域效应, 从而使其具有比石墨烯更灵活的可调节性质和更大的实用价值. 1.1 自上而下的制备方法 到目前为止, 人们对石墨烯的制备方法进行了各种研究, 取得了很多进展, 其基本思路可以分为两种:一种是以天然石墨为原料, 从大到小剥离得到单层的石墨烯材料;另一种是从碳原子出发, 从小到大合成GNRs.但如何大批量的制备高质量石墨烯, 仍然是学术界急需解决的问题. 自上而下的方法是目前较成熟的方法之一, 该方法是把大的GNRs、石墨烯晶体、CNTs 等通过一系列的方法变成所需尺寸的纳米带.这种方法不能提供均匀的超窄带宽度和原子级精确边缘, 但是相比于自下而上的制备方法可以大规模的合成GNRs.如图4所示, GNRs的制备方法可以简单总结为几种[12]: (a) 多壁碳纳米管(MWCNTs) 的嵌入-剥离方法, 包括在液态NH3和Li中进行处理, 以及随后使用HCl和热处理的剥离方法; (b) 化学途径方法, 涉及可能破坏碳-碳键的酸反应, 例如硫酸(H2SO4) 和高锰酸钾(KMnO4) 作为氧化剂; (c) 催化方法, 其中金属纳米粒子像剪刀一样纵向“切割”CNTs; (d) 电学方法, 让电流通过CNTs; (e) 物理化学方法, 将CNTs嵌入聚合物基质中, 然后进行Ar等离子体处理, 得到的结构是展开的碳纳米管, 如图4 (f) 所示, 进一步得到GNRs.下面将具体从解卷CNTs法、催化反应解离石墨烯法和石墨烯刻蚀法等方法详细介绍如何制GNRs. 1.1.1 解卷CNTs法 由于GNRs在结构上与CNTs相关, CNTs可以被视为卷起的GNRs, 因此可以通过纵向拉开CNTs来合成GNRs.而解卷CNTs的方法多种多样, 目前比较成熟的就是将CNTs通过一定的方式变成GNRs.解卷CNTs是利用外界作用将管状CNTs切割成带状GNRs的方法.该方法工艺简单、成本低廉, 并且所得GNRs尺寸均一、边缘平整、缺陷低, 因此在大规模制备高质量GNRs领域呈现具体广阔前景.CNTs是圆柱形碳同素异形体, 有明确且可控的直径, 这使得它们成为精确尺寸GNRs的合适前体. KOSYNKIN等[14]报道了一种基于溶液的氧化工艺以打开MWCNTs.他们首先将MWCNTs悬浮在浓H2SO4中, 然后用KMnO4处理, 将混合物在室温下搅拌1 h, 然后在55~70℃下再加热1 h.该过程完成之后, 纳米带的边缘和表面上都会出现含氧物质, 例如环氧
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。
水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池
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、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
纳米石墨烯的特性以及应用
纳米石墨烯的特性以及应用 摘要：石墨烯是指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。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递 一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。
石墨烯及其纳米复合材料发展.
河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日
摘要 自从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，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 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。石墨烯是世上最薄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10-6Ω·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，电子跑的速度极快，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。 石墨烯的结构非常稳定，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。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料
石墨烯纳米带的研究进展_李婧
图1 GNRs的TEM照片[4] 基金项目：河北省高校重点学科建设项目资助；河北省高等学校科学技术研究青年基金(No.Q2012111)；河北省自(NO.E2013210011)；河北省大学生创新创业训练计划项目；河北省高校重点学科建设项目资助。
人员深入研究GNRs 的高效制备方法开启了一扇大门。James 小组认为，他们制备的GNRs 可用于柔韧触摸屏、太阳能电池板、以及制成轻薄导电纤维，以取代笨重的铜线，进而用于航空航天领域。本文对GNRs 的典型制备方法进行了综述，并比较各种方法的优劣，最后对GNRs 的应用进行了介绍，对其未来进行了展望。 1 GNRs 的制备方法 清楚的看到剥离的GNRs 一端连接导电电极，一端是脱离的CNTs 内心。并且产生的GNRs 随着电压的增加，电导率也增加，这为它成为电学材料提供了很好的应用前景。这种方法生成的GNRs 宽度分布均匀(45nm 左右)，含杂质量低，如果有效实现批量快速生产，有望实现高质量GNRs 的宏量制备。 1.1.2混酸切割CNTs 法 CNTs 具有与石墨相同的晶体结构，CNTs 的发现远早于石墨烯和 GNRs，并且CNTs 非合成技术现在已经成熟。Zhang 等人提出，切割垂直排列的CNTs 获得的GNRs 有许多优异的电学性质，可用于超级电容器。纵向切割和压制管状CNTs 制成GNRs，这种方法通过控制CNTs 的长度和直径进而控制所需GNRs 的尺寸，从而制备出所需的各种规格GNRs，这种方法操作简单方便，得到的GNRs 边缘光滑。James [5]小组用高锰酸钾和硫酸混合处理CNTs，沿着一个轴心将纳米管打开可以得到宽度在100～500nm 的GNRs，如图3所示。这种方法虽然可以制备大量的GNRs，但是得到的GNRs 不是半导体，应用上有一定限制。 1.1.3钾气裂解CNTs 法 催化法是利用化学沉积或磁控溅射把催化的纳米颗粒分散到CNTs 的表面上，在某些特定的气体（如H 2）氛围下进行加热。在纳米粒子的催化下，气体分子会和CNTs 表面的碳原子反应而使得CNTs 裂解产生GNRs。这种方法相对比较简单，但是会影响产物的性质。后来，Kosynkin 等人用气态钾来做催化剂，在250℃真空环境下催化裂解CNTs，得到了边缘连接着钾的GNRs，用乙醇质子化处理后可以得到质量有所提高的边缘钝化的GNRs。 图2 电解CNTs 制备石墨烯过程示意图 [6] 图3 CNTs 逐级拉开形成GNRs 的示意图 [4] 1.1 切割CNTs 法 1.1.1电极切割CNTs 法 在非常高的电偏压下，碳纳米管(CNTs)会显示出超塑[5]。Kim K [6]等人提出了用电流诱发CNTs 裂解制备GNRs 的方法。在真空下，利用电极的移动，促使CNTs 外层裂解。如图2所示，在电极的移动下，通过对电偏压的控制使CNTs 外层被裂解，移除的内心成为一个新的CNTs，剩下的GNRs 完全悬浮在真空中。在图2 中，我们可以
高分子石墨烯纳米复合材料的前沿与趋势
石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。
石墨烯纳米带场效应管
石墨烯纳米带场效应管原理 微电子与固体电子学专业 学生潘立丁S111411 指导教师石瑞英摘要：由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为了石墨烯晶体管器件制造的关键。本文主要关注的石墨烯纳米带场效应管，通过对肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管这两种结构进行对比和分析来了解其主要特性。 关键词：石墨烯纳米带场效应管肖特基势垒 Abstract：Because there is no energy gap in graphene，it is very difficult to achieve on-off characteristic while use it to make transistors, and it is metallic behavior also have been a big problem if we want to use it in logical circuits. How to get an energy gap in grapheme has become the key point of the fabrication of grapheme transistors. This paper focus on graphene nanoribbon FETs, the comparison of two structures (GNR SBFET and GNR MOSFET) is used to analyze the main behaviors of graphene nanoribbon FETs. Key words：graphene nanoribbon field-effect-transistor schottky barrier 1、引言 石墨烯[1]（Graphene）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。2004年，石墨烯被成功地从石墨中分离出来。石墨烯目前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，又比碳纳米管或硅晶体迁移率高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输的速度极快，因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。 2、石墨烯纳米带基本结构 目前已知可以在石墨烯中引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。 (2) 利用量子陷阱效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如纳米带)引入能
单层氧化石墨烯性能参数
单层氧化石墨烯性能参数 单层氧化石墨烯性能参数，这是很多人想知道的知识。氧化石墨烯是一种性能很好的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团，应用范围很广，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。下面就由先丰纳米简单的介绍单层氧化石墨烯性能参数。 1、性能 （1）含有丰富的羟基、羧基和环氧基等含氧官能团； （2）易于接枝改性，可与复合材料进行原位复合，从而赋予复合材料导电、导热、增强、阻燃、抗菌抑菌等性能； （3）易于剥离成稳定的氧化石墨烯分散液，易于成膜。 2、用途 应用于橡胶、塑料、树脂、纤维等高分子复合材料领域，还可以应用于锂电正负极材料的复合、石墨烯导热膜、催化剂负载。 3、操作处置与储存 操作人员需穿戴合适的防护服及防护手套；避免与皮肤直接接触，进入眼睛，应立即用大量清水冲洗。产品需密闭贮存于阴凉、通风及干燥的环境，在20℃的环境中贮存效果更佳。远离火种、热源，应与强还原剂、易燃物分开存放。
4、运输 非限制性货物，运输中应注意安全，防止日晒、雨淋、渗漏和标签脱落，严禁抛掷， 轻装轻卸，远离热源，隔绝火源。 如果想要了解更多关于单层氧化石墨烯的内容，欢迎立即咨询先丰纳米。 先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳 米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜 完整生产线。 自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过 一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现 专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及 技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米 材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线，2017年年产高品质石墨烯粉末50吨，石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导！欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看。
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，
基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用
基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用 摘要：石墨烯作为新型材料在化学、材料等科学领域得到了极大的关注。因其优良的导电性和生物相容性，被广泛的运用到生物传感器的研究中。由于纳米级的石墨烯在水溶液中极易聚沉，所以在使用石墨烯时就需要对其修饰。对石墨烯的修饰包括共价键修饰、非共价键修饰和金属颗粒及金属离子修饰。添加各种修饰过后的石墨烯能增加的灵敏度和降低传感器的检测线。 关键词：石墨烯修饰生物传感器 1、引言 最近，石墨已成为一个迅速崛起的明星在材料科学领域。它的问世引起了全世界的研究热潮。自2004年英国曼彻斯特大学Geim团队首次从石墨中剥离出石墨烯以来，人们便对这种具有独特物化性质的纳米材料寄予厚望。此后关于石墨烯的研究不断出现重要进展，并在材料、化学、微电子、量子物理及生物等众多领域表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，已成为当前研究热点之一。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是一个二维（平面）晶体，组成单层碳原子排列在蜂巢网络与六元环，为二维碳结构。在概念上石墨烯可以看作是一无限延长二维芳香族大分子。 石墨烯在原子尺度上结构非常特殊。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。而且石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。[1,2] 因此, 石墨烯奇特的物理、化学性质, 也激起了物理、化学、材料等领域科学家极大的兴趣。这篇论文主要介绍了基于石墨烯的纳米材料在电化学生物传感器中的运用。 2、石墨烯的修饰 然而，正如其它的同素异形体的新发现如碳富勒烯和碳纳米管（CNTs），材料可用性和加工一直是限制着石墨烯的应用。对于石墨烯，最关键的挑战，在材料合成与加工的中克服石墨层之间强的π-π型层堆叠剥离能，这种高凝聚力范德