石墨烯(二维碳材料)详细数据收集
石墨烯具有优异的光学、电学和力学性能，在材料科学、微纳加工、能源、生物医学和药物输送等领域具有重要的应用前景，被认为是未来的革命性材料。英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·格姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过微机械剥离法成功地将石墨烯从石墨中分离出来，因此* * *获得了2010诺贝尔物理学奖。石墨烯粉末生产的常用方法有机械剥离法、氧化还原法和SiC外延生长法，薄膜生产的方法有化学气相沉积法(CVD)。
2065438+2008年3月31日，中国第一条石墨烯有机太阳能光电器件全自动生产线在山东菏泽开工。
基本介绍中文名:石墨烯英文名:Graphene应用领域:物理、材料、电子信息、计算机等。载流子迁移率:15000 cm2/(V·s)(室温)热导率:5300W/mK(单层)理论杨氏模量:1.0TPa研究历史、物理化学性质、物理性质、化学性质、制备方法、主要分类、单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯、主要应用、发展前景及研究历史。其实石墨烯本来就存在于自然界，只是单层结构很难剥离。石墨烯层层堆叠形成石墨，厚度为1 mm的石墨中含有约300万层石墨烯。铅笔轻轻划过纸张，留下的痕迹可能是几层甚至只是一层石墨烯。2004年，曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现，他们可以用一种非常简单的方法让石墨薄片越来越薄。他们从高定向热解石墨上剥离石墨片，然后将片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带将石墨片一分为二。一直这样下去，床单越来越薄。最后，他们得到一个只由一层碳原子组成的薄片，这就是石墨烯。此后，制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫分别在单层和双层石墨烯体系中发现了整数量子霍尔效应和室温下的量子霍尔效应，他们获得了2010诺贝尔物理学奖。在石墨烯发现之前，大多数物理学家认为热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。因此，它的发现立即震惊了凝聚态物理学界。虽然理论界和实验界都认为完美的二维结构不可能在非绝对零度下稳定存在，但实验中可以制备单层石墨烯。2065438年3月31日，中国首条石墨烯有机太阳能光电器件全自动生产线在山东菏泽开工。该项目主要生产能在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池(以下简称石墨烯OPV)，解决了应用受限、对角度敏感、建模困难三大太阳能发电难题。2065438+2008年6月27日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布了新制定的团体标准《石墨烯材料产品命名指南》。本标准规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。理化性质物理性质内部结构石墨烯中碳原子的排列与石墨单原子层相同，具有以下特点:碳原子有四个价电子，其中三个生成sp 2键，即每个碳原子在pz轨道上贡献一个未键电子，相邻原子的pz轨道垂直于平面形成π键，新形成的π键处于半填充状态。确认石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10 -10米，键间夹角为120。除了σ键与其他碳原子连接形成六角环的蜂窝状层状结构外，每个碳原子垂直于层平面的pz轨道可以形成多原子原子的大π键(类似苯环)贯穿整个层，因此具有优异的导电性和光学性质。石墨烯结构图单层石墨烯结构图力学性能石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有良好的韧性，可以弯曲。石墨烯的理论杨氏模量为1.0 kpa，固有拉伸强度为130GPa。氢等离子体改性的还原石墨烯也有非常好的强度，平均模量可以达到0.25TPa，石墨烯片组成的石墨纸有很多孔，所以很脆。而功能化的石墨烯是通过氧化得到的，然后功能化的石墨烯做成的石墨纸会异常的结实坚韧。电子效应石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000 cm2/(v·s)，是硅材料的10倍以上，是载流子迁移率最高的锑化铟(InSb)的两倍以上。在一定条件下，比如低温，石墨烯的载流子迁移率甚至可以高达250000 cm2/(v·s)。与许多材料不同，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小。在50-500K之间的任意温度下，单层石墨烯的电子迁移率约为15000 cm2/(v·s)。石墨烯由富勒烯、碳纳米管和石墨组成。此外，石墨烯中电子载流子和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过在电场作用下改变化学势来观察，科学家在室温下观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧穿效应，遇到杂质时不会反向散射，这就是石墨烯具有局域超导电性和高载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子没有静止质量，它们的速度是一个与动能无关的常数。石墨烯是零距离半导体，因为它的导带和价带在狄拉克点相交。在狄拉克点的六个位置，动量空间边缘的布里渊区被分成两组等价的三元组。相比之下，传统半导体的主点通常是γ，动量为零。热性能石墨烯具有非常好的导热性。纯无缺陷单层石墨烯的热导率高达5300W/mK，是迄今为止碳材料的最高热导率，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。作为载体使用时，导热系数也可以达到600 W/MK，另外石墨烯的弹道导热系数可以降低碳纳米管单位周长和长度的弹道导热系数下限。热导率实验值电阻和温度系数光学性质石墨烯具有非常好的光学性质，在很宽的波长范围内吸收率约为2.3%，看起来几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，每层厚度增加，吸收率增加2.3%。大面积石墨烯薄膜也具有优异的光学性能，其光学性能随着石墨烯厚度的变化而变化。这是单层石墨烯不寻常的低能电子结构。在室温下，对双栅双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可以从0到0~0.25eV进行调节。当施加磁场时，石墨烯纳米带的光学回波可以调谐到太赫兹范围。当入射光强度超过某一临界值时，石墨烯的吸收会达到饱和。这些特性使得石墨烯可以用作被动锁模激光器。当输入光强度超过阈值时，这种独特的吸收可能变得饱和，这被称为饱和效应。石墨烯由于全局光吸收和零带隙，在近红外区可以被饱和并容易激发。由于这种特殊的性质，石墨烯被广泛用于超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学反射可以调谐电。在更强的激光照射下，石墨烯可能具有非线性相移的光学非线性克尔效应。溶解性:在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。熔点:在2015的研究中，科学家表示约为4125K，其他研究表示熔点可能在5000K左右。其他特性:能吸附和解吸各种原子和分子。化学性质石墨烯的化学性质类似于石墨，可以吸附和脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为施主或受主时，可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身可以保持良好的导电性。而吸附H+和OH-等其他物质时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但不会产生新的化合物。所以可以用石墨来推断石墨烯的性质。比如石墨烷烃的形成是基于二维石墨烯，每个碳原子多加一个氢原子，使石墨烯中的sp 2碳原子变成sp 3杂化。石墨烯的可溶性碎片可以在实验室中通过化学修饰石墨来制备。复合氧化石墨烯(GO):由氧化石墨得到的层状材料。块状石墨经发烟浓酸溶液处理后，石墨烯层被氧化成亲水性氧化石墨烯，石墨层间距由氧化前的3.35。增加到7~10？在水中加热或超声波剥离后，容易形成分离的氧化石墨烯片层结构。XPS、红外光谱(IR)、固体核磁共振(NMR)等表征结果表明，氧化石墨烯含有大量的含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基等。羟基和环氧官能团主要位于石墨的基底表面，而羰基和羧基位于石墨烯的边缘。Graphane:可以通过石墨烯与氢气反应得到。它是分子式为(CH) n的饱和烃，其中所有的碳都是sp 3杂化，形成六方网状结构，氢原子以交替的形式从石墨烯平面的两端键合到碳上。Graphane显示出半导体特性，并且具有直接带隙。氮掺杂石墨烯或碳氮化物:氮原子被引入到石墨烯的晶格中成为氮掺杂石墨烯，生成的氮掺杂石墨烯表现出比纯石墨烯更优异的性能，呈无序、透明、褶皱的薄纱状，部分薄片堆叠在一起形成多层结构，表现出更高的比电容和良好的循环寿命。生物相容性:羧基离子的注入可以使石墨烯材料表面具有活性官能团，从而大大提高材料的细胞和生物反应活性。与管状的碳纳米管相比，石墨烯更适合于生物材料的研究。而且与碳纳米管相比，石墨烯的边缘更长，更容易掺杂和化学修饰，更容易接受官能团。氧化:能与活性金属反应。还原性:可以在空气中氧化，也可以用酸氧化，用这种方法可以将石墨烯切成小块。氧化石墨烯是通过石墨氧化得到的层状材料，在水中加热或超声波剥离很容易形成分离的氧化石墨烯片层结构。加成反应:利用石墨烯上的双键，通过加成反应可以加入所需的基团。稳定性:石墨烯的结构非常稳定，碳碳键只有1.42。石墨烯中碳原子之间的连接非常灵活。当对石墨烯施加外力时，碳原子表面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列以适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使得石墨烯具有优异的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道上运动时，不会因为晶格缺陷或者外来原子的引入而发生散射。因为原子间作用力很强，在室温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中电子的干扰也很小。同时，石墨烯是芳香族的，具有芳香烃的性质。制备方法机械剥离法机械剥离法是一种利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动来获得石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持完整的晶体结构。2004年，两位英国科学家用透明胶带将天然石墨逐层剥离，得到石墨烯，这也被归类为机械剥离法。这种方法一度被认为效率低下，无法工业化大规模生产。这种方法虽然可以制备微米级的石墨烯，但可控性低，难以实现大规模合成。氧化还原法氧化还原法是用硫酸、硝酸等化学试剂和高锰酸钾、双氧水等氧化剂氧化天然石墨，增加石墨层间的间距，在石墨层间插入氧化物，制备氧化石墨。然后用水洗涤反应物，并在低温下干燥洗涤的固体以制备氧化石墨粉末。采用物理剥离、高温膨胀等方法剥离氧化石墨粉末，制备氧化石墨烯。最后用化学方法还原氧化石墨烯得到石墨烯(RGO)。该方法操作简单，收率高，但产品质量低。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，危险性大，清洗需要大量的水，带来很大的环境污染。氧化还原法制备的石墨烯富含含氧官能团，易于修饰。但在还原氧化石墨烯时，还原后的石墨烯氧含量很难控制，在外界一切的影响下，如阳光、运输过程中车厢内的高温等，氧化石墨烯会不断被还原。因此，氧化还原法生产的石墨烯产品质量往往不一致，质量难以控制。定向附生法定向附生法是利用生长基底的原子结构来“播种”石墨烯。先将碳原子在1150℃渗入钌中，然后冷却至850℃。冷却后，之前吸附的大量碳原子会浮到钌的表面，最后透镜状单层中的碳原子会长成一层完整的石墨烯。第一层被覆盖后，第二层开始生长。最底层的石墨烯会和钌有很强的相互作用，而在第二层之后，它会和钌几乎完全分离，只剩下很弱的耦合。然而，这种方法生产的石墨烯片厚度往往不均匀，石墨烯与基体的附着力会影响碳层的特性。碳化硅外延法SiC外延法是在超高真空的高温环境下，将硅原子升华出材料，剩余的C原子通过自组装进行重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但这种方法对设备要求高。Hemmer法用Hummer法制备氧化石墨；将氧化石墨放入水中超声分散，形成质量浓度为0.25 g/L-1 g/L的均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后向氧化石墨烯溶液中滴加28%的氨水；将还原剂溶于水中，形成质量浓度为0.25克/升~ 2克/升的水溶液；将制得的氧化石墨烯溶液和还原剂水溶液混合均匀，在油浴条件下搅拌所得混合溶液，反应后过滤、洗涤、干燥，得到石墨烯。化学气相沉积化学气相沉积(CVD)是一种以含碳有机气体为原料，通过气相沉积制备石墨烯薄膜的方法。这是目前生产石墨烯薄膜最有效的方法。该方法制备的石墨烯具有大面积、高质量的特点，但现阶段成本较高，工艺条件有待进一步改善。由于石墨烯薄膜厚度薄，大面积的石墨烯薄膜不能单独使用，必须贴在微距器件上，如触摸屏、加热器件等。一些学者采用低压气相沉积法在红外表面生成单层石墨烯。通过进一步研究可知，这种石墨烯结构可以跨越金属台阶，在Ir表面逐渐形成连续的、微米级的单层碳结构。通过表面分凝得到毫米级单晶石墨烯。厘米尺度的石墨烯和石墨烯在多晶Ni膜上的外延生长被一些学者发现。将厚度为300纳米的Ni膜表面在1000℃下加热后，暴露在CH 4气氛中，经过一段时间的反应，金属表面会形成少量大面积的石墨烯膜。单层石墨烯:是指由一层具有苯环结构的碳原子组成的二维碳材料(即六方蜂窝状结构)。双层或双层石墨烯:是指由两层碳原子以不同的堆积方式(包括AB堆积和AA堆积)周期性紧密堆积成苯环结构(即六方蜂窝状结构)而构成的二维碳材料。少层是指由3-10层碳原子以不同的堆积方式(包括ABC堆积和ABA堆积)周期性紧密堆积在苯环结构(即六方蜂窝结构)中构成的二维碳材料。多层石墨烯多层石墨烯又叫多层石墨烯:是指厚度大于10层小于10nm的二维碳材料，其中具有苯环结构(即六角蜂窝结构)的碳原子以不同的堆积方式(包括ABC堆积和ABA堆积)周期性紧密堆积。主要应用随着量产和大尺寸问题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快。基于现有的研究成果，最先实现商业应用的领域可能是移动设备、航空航天和新能源电池。石墨烯的基础研究对物理学的基础研究有着特殊的意义，使得一些以前只能在理论上演示的量子效应可以通过实验得到验证。在二维石墨烯中，电子的质量似乎是不存在的。这种性质使得石墨烯成为一种罕见的凝聚态物质，可以用来研究相对论量子力学。由于无质量粒子必须以光速运动，因此必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家提供了新的研究方向:一些原本需要在巨型粒子加速器中进行的实验，可以用石墨烯在小实验室中进行。零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响其表面气体分子的作用。石墨烯的氢化和氧化结果显示了单层石墨烯相对于块状石墨具有增强表面反应活性的功能，表明石墨烯的电子结构可以调控其表面反应活性。另外，通过气体分子吸附的诱导可以改变石墨烯的电子结构，不仅改变载流子的浓度，还可以掺杂不同的石墨烯。传感器石墨烯可以做成化学传感器，主要靠石墨烯的表面吸附性能来完成。根据一些学者的研究，石墨烯化学检测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相媲美。石墨烯独特的二维结构使其对周围环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，由石墨烯制成的传感器在检测医学中的多巴胺和葡萄糖方面具有良好的灵敏度。红外光束激发等离子体石墨烯传感器晶体管示意图石墨烯可以用来做晶体管。由于石墨烯结构的高稳定性，这种晶体管仍然可以在接近单个原子的尺度上稳定工作。相比之下，目前用硅制作的晶体管，在10纳米左右的尺度上会失去稳定性；石墨烯中的电子对外场的超快的反应速度，使得石墨烯制成的晶体管达到了极高的工作频率。比如2010年2月，IBM宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到100GHz，超过同规模的硅晶体管。柔性显示屏柔性显示屏在消费电子展上备受关注，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，石墨烯作为基础材料的前景也被看好。韩国研究人员首次制作了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片组成的柔性透明液晶显示器。来自韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上制作了一块电视机大小的纯石墨烯。他们说，这是迄今为止最大的石墨烯块。随后，他们使用石墨烯块来制造柔性触摸屏。研究人员表示，理论上，人们可以将智能手机卷起来，像铅笔一样别在耳朵后面。新能源电池新能源电池也是石墨烯最早商业化的重要领域。美国麻省理工学院成功开发出一种表面涂有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可大幅降低制造透明可变形太阳能电池的成本，有可能应用于夜视镜、相机等小型数码设备中。此外，石墨烯超级电池的研发成功，也解决了新能源汽车电池容量不足、充电时间长的问题，大大加快了新能源电池产业的发展。这一系列研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺平了道路。基于石墨烯的超级电容器结构和不同电压下石墨烯的理论能量密度用于海水淡化的石墨烯过滤器比其他海水淡化技术使用得更多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水紧密接触后，可以形成宽度约为0.9 nm的通道，小于这个尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩毛细通道尺寸和控制石墨烯薄膜中的孔径，可以高效过滤海水中的盐分。储氢材料石墨烯具有重量轻、化学稳定性高、比表面积高等优点，是储氢材料的最佳候选材料。航空航天由于高导电、高强度、超薄的特点，石墨烯在航空航天军工领域的应用优势也极为突出。2014年，美国国家航空航天局研制了一套用于航天领域的石墨烯传感器，可以很好地探测地球高层大气中的微量元素和航天器上的结构缺陷。石墨烯也将在超轻型飞机材料的潜在应用中发挥更重要的作用。以石墨烯为感光元件材料的新型感光元件，通过特殊的结构，有望比现有的CMOS或CCD提高上千倍的感光能力，能耗仅为10%。可用于监视器、卫星成像等领域，可用于相机、智能手机等。复合材料石墨烯基复合材料是石墨烯应用领域的重要研究方向，在储能、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域表现出优异的性能，具有广阔的应用前景。目前，石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料。随着石墨烯研究的深入，石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用越来越受到关注。由石墨烯制成的多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料增强了复合材料的许多特殊性能。复合生物石墨烯用于加速人骨髓间充质干细胞的成骨分化，也用于制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时，石墨烯可以用作神经接口电极，而不会改变或破坏特性，例如信号强度或疤痕组织形成。由于其柔性、生物相容性和导电性，石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。氧化石墨烯对抑制大肠杆菌的生长非常有效，不会伤害人体细胞。发展前景石墨烯的研究和应用开发持续升温。与石墨和石墨烯相关的材料广泛应用于电池电极材料、半导体器件、透明液晶显示器、传感器、电容器、晶体管等。鉴于石墨烯材料的优异性能和潜在的应用价值，化学、材料、物理、生物、环境、能源等多个学科都取得了一系列重要进展。研究人员致力于在不同领域尝试不同的方法来制备高质量、大面积的石墨烯材料。通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降低了石墨烯的制备成本，使其优异的材料性能得以广泛应用并逐步产业化。中国在石墨烯研究方面也有独特优势。从生产上来看，石墨作为石墨烯生产的原料，在国内储能丰富，价格低廉。正是因为石墨烯的应用前景，许多国家都建立了石墨烯相关技术研发中心，试图将石墨烯商业化，进而在工业、技术、电子相关领域获得潜在的应用专利。例如，欧盟委员会将石墨烯视为“未来旗舰技术项目”并设立专项研发计划，未来654.38+00年拨款654.38+00亿欧元。英国* * *还投资成立了国家石墨烯研究所(NGI)，试图在未来几十年内让这种材料从实验室进入生产线和市场。石墨烯有望成为许多应用领域的新一代器件。为了探索石墨烯更广阔的应用领域，有必要继续寻求更优异的石墨烯制备技术，使其更好的应用。虽然石墨烯被合成并被证明存在才十几年，但今年却成为学者们的热门话题。其优异的光学、电学、力学和热学性能促使研究人员对其进行深入研究。随着石墨烯制备方法的不断发展，在不久的将来，石墨烯将会更加广泛地应用于各个领域。石墨烯的产业化还处于起步阶段，有些应用还不足以体现石墨烯的各种“理想”性质。然而，世界上许多研究人员正在探索“杀手级”应用，未来在测试和认证方面需要面临的挑战太多了，需要在手段和方法上不断创新。