石墨烯的結(jié)構(gòu)、制備、性能及應(yīng)用研究進(jìn)展

密封線第2頁共9頁XX大學(xué)碩士研究生讀書報告學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院年級：2015專業(yè)：無機(jī)化學(xué)姓名：學(xué)號：20150700密封線第4頁共9頁報告題目：石墨烯的結(jié)構(gòu)、制備、性能及應(yīng)用研究進(jìn)展一、書目信息：書名《石墨烯:結(jié)構(gòu)、制備方法與性能表征》作者朱宏偉出版社清華大學(xué)出版社ISBN號978-7-302-27170-3出版時間2011字?jǐn)?shù)開本頁數(shù)價格二、評分標(biāo)準(zhǔn)1.格式規(guī)范、內(nèi)容簡明扼要。報告中引用的數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等要注明出處20分2.報告結(jié)構(gòu)合理，表述清晰20分3.石墨烯的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法概述正確、新（查閱5篇以上的文獻(xiàn)）20分4.石墨烯的應(yīng)用研究進(jìn)展概述（文獻(xiàn)）全、新（查閱5篇以上的文獻(xiàn)）20分5.心得及進(jìn)一步的研究展望真實(shí)，無抄襲與剽竊現(xiàn)象20分三、教師評語請根據(jù)寫作內(nèi)容給定成績，填入“成績”部分。閱卷教師評語成績評閱教師簽字：20年月日注1：本頁由報告題目、書目信息有學(xué)生填寫，其余由教師填寫。提交試卷時含本頁。學(xué)生從第二頁開始寫作，要求見藍(lán)色字體部分。注2：“閱卷教師評語”部分請教師用紅色或黑色碳素筆填寫，不可用電子版。無“評語”視為不合規(guī)范。注3：不符合規(guī)范試卷需修改規(guī)范后提交。摘要碳是自然界中萬事萬物的重要組成物質(zhì)，也是構(gòu)成生命有機(jī)體的主要元素。石墨和金剛石是兩種典型的單質(zhì)碳，也是最早為人們所熟知的兩種碳的三維晶體結(jié)構(gòu)，屬于天然礦石。除石墨和金剛石外，碳材料還包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纖維等非晶形式。煤是重要的燃料。碳纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，納米材料與技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。納米碳材料也是從這一時期開始進(jìn)入歷史的舞臺。1985年，由60個碳原子構(gòu)成的“足球”分子：C60被三位英美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。隨后，C70、C86等大分子相繼出現(xiàn)，為碳家族添加了一大類新成員：富勒烯。富勒烯是碳的零維晶體結(jié)構(gòu)，它們的出現(xiàn)開啟了富勒烯化學(xué)新篇章。三位發(fā)現(xiàn)者于1996年獲諾貝爾化學(xué)獎。1991年，由石墨層片卷曲而成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)：碳納米管被發(fā)現(xiàn)。如今，碳納米管已經(jīng)成為一維納米材料的典型代表。發(fā)現(xiàn)者飯島澄男于2008年獲卡弗里納米科學(xué)獎。2004年，一位新成員：石墨烯，出現(xiàn)在碳材料的“家譜”中。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者，兩位英國科學(xué)家安德烈·蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（KonstantinNovoselov）于2010年獲諾貝爾物理學(xué)獎。關(guān)鍵詞：碳材料復(fù)合材料晶體結(jié)構(gòu)1石墨烯的結(jié)構(gòu)石墨烯是sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在單層石墨烯中，碳碳鍵長為0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異型體的基本單元：例如：石墨，碳納米管和富勒烯。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。2石墨烯的制備2.1物理法制備石墨烯物理方法通常是以廉價的石墨或膨脹石墨為原料，通過機(jī)械剝離法、取向附生法、液相或氣相直接剝離法來制備單層或多層石墨烯。這些方法原料易得,操作相對簡單，合成的石墨烯的純度高、缺陷較少。2.1.1機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法或微機(jī)械剝離法是最簡單的一種方法，即直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剝離下來。Novoselovt等[1]于2004年用一種極為簡單的微機(jī)械剝離法成功地從高定向熱解石墨上剝離并觀測到單層石墨烯，驗證了單層石墨烯的獨(dú)立存在。具體工藝如下：首先利用氧等離子在1mm厚的高定向熱解石墨表面進(jìn)行離子刻蝕，當(dāng)在表面刻蝕出寬20μm—2mm、深5μm的微槽后，用光刻膠將其粘到玻璃襯底上，再用透明膠帶反復(fù)撕揭，然后將多余的高定向熱解石墨去除并將粘有微片的玻璃襯底放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲，最后將單晶硅片放入丙酮溶劑中，利用范德華力或毛細(xì)管力將單層石墨烯“撈出”。2.1.2取向附生法—晶膜生長個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。3.4基因測序由于導(dǎo)電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術(shù)。3.5減少噪音 美國IBM宣布，通過重疊2層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過與預(yù)計的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音。3.6隧穿勢壘 量子隧穿效應(yīng)是一種衰減波耦合效應(yīng)，其量子行為遵守薛定諤波動方程，應(yīng)用于電子冷發(fā)射、量子計算、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)勢壘材料采用氧化鋁、氧化鎂等材料，由于其厚度不均、容易出現(xiàn)孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發(fā)熱量，影響到了器件的性能和穩(wěn)定性，甚至引起災(zāi)難性失敗。基于石墨烯在導(dǎo)電、導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，美國海軍研究試驗室（NRL）將其作為量子隧穿勢壘材料的首選。未來得石墨烯勢壘將有可能在隧穿晶體管、非揮發(fā)性磁性記憶體和可編程邏輯電路中率先得以應(yīng)用。4.石墨烯的分析表征技術(shù)4.1透射電鏡在石墨烯中的應(yīng)用透射電鏡最大的特點(diǎn)就是可以進(jìn)行組織形貌與晶體結(jié)構(gòu)的同位分析。當(dāng)中間鏡物平面與物鏡像平面重合時，進(jìn)行的是成像操作，得到的是物體的表面形貌圖；當(dāng)中間鏡的物平面與物鏡背焦面重合時，進(jìn)行的是衍射操作，得到的是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的電子衍射花樣。在電子衍射中，單晶得到的衍射花樣為一系列規(guī)則排列的衍射斑點(diǎn)，多晶的衍射花樣為不同半徑的同心圓，非晶的衍射花樣為一個漫散斑點(diǎn)[7]（如圖1所示）。圖1：單晶、多晶和非晶的電子衍射花樣高分辨透射電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到單個原子量級?？煞从呈┑膶訑?shù)、堆垛方式、邊緣原子結(jié)構(gòu)及變化、內(nèi)部缺陷（如五七環(huán)結(jié)構(gòu)）和表面吸附原子等信息。如圖2所示[8]，（a）是懸掛石墨烯的TEM，在光學(xué)顯微鏡中網(wǎng)柵同樣可見。（b）是單層石墨烯的一個折疊邊緣的高分辨率的圖像，（c）層內(nèi)的皺褶。（d）雙層石墨烯的折疊邊緣和（e）層內(nèi)的折疊。對比片層的非晶結(jié)構(gòu)很可能是由于樣品吸附的羥基被電子束擊碎。（f）接近垂直入射的單層石墨烯的電子衍射圖樣和（g）雙層石墨烯的衍射圖樣。來自底部金屬結(jié)構(gòu)的弱衍射峰同樣出現(xiàn)。（h）在（f）（g）中箭頭表示的直線的強(qiáng)度剖面。雙層石墨烯的衍射點(diǎn)的相對強(qiáng)度只與A-B（而不是A-A）堆垛相一致。圖2：石墨烯的透射電子形貌圖和電子衍射花樣（比例尺：（a）500nm；（b-e）2nm）[14]4.2拉曼光譜分析在石墨烯中的應(yīng)用Raman光譜是碳材料的標(biāo)準(zhǔn)表征技術(shù)，也是一種高效率、無破壞的石墨烯檢測手段。一般石墨的拉曼光譜中有三個極為顯著的特征峰：位于1350cm?1附近的D峰，此峰是由石墨的無序性誘導(dǎo)(disorder-induced)引起的，對于極為有序、無缺陷的石墨樣品的拉曼光譜觀察不到D峰存在；位于1580cm?1附近的G峰，此峰由石墨一階拉曼光譜的E2g光學(xué)模產(chǎn)生的，一般為單峰；位于2700cm?1附近的2D峰，是由雙光子在第一布里淵區(qū)中心兩個互不等價的K點(diǎn)附近雙共振拉曼激發(fā)引起的，一般認(rèn)為2D峰是D峰的倍頻峰，但在有序、無缺陷石墨樣品的拉曼光譜中可以觀察到有雙峰結(jié)構(gòu)的2D峰，研究表明石墨烯的拉曼譜中2D峰的強(qiáng)度、形狀和位置等能夠反映石墨烯的厚度、結(jié)構(gòu)等信息[9]。

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