新型碳材料科学双语结课论文 XXX.docx

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新型碳材料科学双语结课论文XXX

华东理工大学化工学院2014（春）

本科生双语选修课《新型碳材料科学》课程考核

学号10110200姓名XXX任课老师乔文明等成绩

论文题目：

论文要求：

题目在下列4个中任选一个（A4纸，正文部分4页以上）：

1多孔炭材料在氮氧化物脱除、硫化物脱除、重金属脱除、重金属离子脱除、水中污染物脱除等方面的应用及其前景展望

2石墨烯的制备、结构、性能及应用前景

3中孔炭材料或者介孔材料的制备、结构及应用

4炭材料前躯体对所制炭材料的结构及性能的影响

格式：

12号字（宋体/TimesNewRoman），行间距1.5，边距2cm

中文或英文均可,注意格式！

时间：

2014年6月

地点：

任课教师评语：

任课教师签名：

年月日

摘要

石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。

全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，详细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电孤法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。

还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。

关键词石墨烯制备方法应用

Abstract

Asanallotropeofcarbon，graphenehasbecomearesearchhotspotduetoitsuniquetwo-dimensionalstructureandexcellentmechanical，electrical，opticalandthermalproperties．Synthesisofgrapheneviadifferentap—proacbes，suchasmicromechanicalstripping，chemicalstripping，chemicalsynthesis，epitaxialgrowth，arcdis—charge，andchemicalvapordeposition，arediscussedindetail，andstrategiesforproducinghomogeneousgraphenewithimprovedyieldandstructuralstabilitywhilelimitingitspollutionareproposed．Alsoapplicationprogressofgre—pheneinpolymercomposites，microelectronics，optics，energyandbiomedicinearesummarized，andthemainre—searchdirectionanddevelopmenttrendareimagined．

Keywordsgraphene，preparationmethods，application

1.石墨烯的结构

石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料。

石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨（图1）。

这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载

图1

流子迁移率达1．5x104cm2·V-1S-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的10倍，在特定条件下（如低温骤冷等），其迁移率甚至可高达2．5×105cm2·V-1·S-1；石墨烯的热导率可达5x103W·m-1·K-1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应（Halleffect）及室温铁磁性等特殊性质。

[1]

2.石墨烯的性质

2.1力学性质

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。

美国哥伦比亚大学的一支物理学研究小组经过大量的试验，发现石墨烯是现在世界上已知的最为牢固的材料，并对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。

他们选取10-20微米的石墨烯微粒作为研究对象。

试验发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100nm距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。

如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

[2]半导体工业有意利用石墨烯晶体管制造微型处理器，进而生产出比现有计算机更快的计算机。

2.2热学性质

石墨烯是一种稳定材料．在发现石墨烯以前，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。

所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。

虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。

迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。

各个碳原子问的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。

因此，碳原子就不需要重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定。

2.3电学性质

稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。

其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。

这个行为已被科学家解释为电子在石墨烯里有效质量为零，这和光子的行为极为相似；不管石墨烯中的电子带有多大的能量，电子的运动速率都约是光子运动速率的三百分之一，为10m/s。

石墨烯的室温量子霍尔效应，无质量狄拉克费米子型载流子，高达200000cm/（V·S）的迁移率等新奇物性相继被发现。

[3]在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度。

石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。

石墨烯具有明显的二维电子特性。

近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电子器件的极有前景的材料。

在2006-2008年间，石墨烯已被制成弹道输运晶体管，人们不仅成功地制造了平面场效应管而且观测到了量子干涉效应，引起大批科学家的兴趣。

3.石墨烯的合成

目前石墨烯的主要制备方法有微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、化学气相沉积法及电弧法。

3.1微机械剥离法

微机械剥离法是通过机械力来剥离石墨原料从而制备单层或者多层石墨烯的方法。

Geim等用氧等离子体首先在lmm厚的高定向热解石墨（HOPG）表面刻蚀出宽20um～2mm、深5um的微槽，然后将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭以得到石墨烯微片，随后将粘有微片的玻璃放入丙酮中超声，由于范德华力或毛细管力，石墨烯会吸附到丙酮下面的硅片上。

他们用此法首先得到了单层石墨烯并研究了其电学性质。

微机械剥离法过程简单,没有经过各种化学处理。

可以制备高质量的石墨烯，可以用来很好地研究石墨烯的性质，石墨烯的发现也归功于该法，但不能得到大尺寸的石墨烯，而且石墨烯的层数很难控制，产量很低。

超声振动、超临界技术等物理手段的应用，可以避免手工操作的不稳定性，有望显著提高石墨烯的产量。

3.2化学剥离法

化学剥离法一般用氧化剂氧化、剥离石墨类材料（如石墨、碳纳米管、碳纤维）来制得石墨烯氧化物（G0），然后再用还原剂（如肼、还原性金属等）来还原GO以得到较高导电性的石墨烯。

石墨常用的氧化方法主要有3种：

Brodie法、Hummers法、Standenmaier法。

G0的碳原子属丁sp3杂化，因而G0的导电性较差。

[4]

化学剥离法是当前可以宏观制备石墨烯的有效方法，在今后相当长的时问里仍将起着重要作用。

它可以容易地得到石墨烯氧化物，由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团，可以利用多种化学反应对石墨烯进行功能化。

功能化的石墨烯与许多溶剂、聚合物基体有较好的相容性，因而可以用来制作石墨烯聚合物基复合材料。

但足，与其它方法制得的石墨烯相比，化学剥离法制得的石墨烯的导电性很差，这是因为此法得到的石墨烯表面含有大量的环氧基、羧基、羰基、羟基等基团。

此外，化学剥离法用到的许多试剂都具有毒性、强腐蚀性，成本较高，且不利于环境保护。

因而寻找无毒、价廉、强还原性的还原剂对于制备石墨烯有着积极的意义。

3.3化学合成法

化学合成法主要是以苯环或其他芳香体系为核，通过偶联反应使苯环上6个碳原子均被取代．然后相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环．如此进行多步反应使芳香体系变大，从而合成具有较大平面结构的石墨烯。

化学合成法不采用石墨为原料，而是用各种芳烃类来制备石墨烯，不仅拓宽了石墨烯的制备途径，而且对研究石墨烯的化学形成过程和物理性质有着重要意义；但是，该法反应步骤多，反应时间长，脱氢效率不高，容易造成结构缺陷，金属催化剂会造成环境污染。

3.4外延生长法

外延生长法的具体过程是：

通过加热Ni/SiC/Si基板，使SiC分解、生成碳原子并进入Ni层，随后伴随着基体的快速降温，碳原子会由于过饱和而在镍层的表面析出，生成石墨烯。

外延生长法用到的单晶SiC价格比较昂贵。

此外，外延生长法不能精确控制石墨烯的厚度，很难得到大尺寸、高均匀性的石墨烯，得到的石墨烯也很难进行转移。

外延生长法也可以称为SiC表面石墨化法。

为了得到结构可以控制的石墨烯，人们正在寻找更多的金属来作为模板，并提出了金属表面外延法的概念。

它是通过热循环法以富含C原子的钌、铷、铱等金属为模板，在金属原子的填隙中实现碳原子的层状生长，从而在金属表面生成一层石墨烯。

该法避免了单晶SiC的使用。

降低了成本，还可以进一步控制石墨烯的结构。

[5]

3.5电弧法

电弧法的具体过程是：

将石墨电极置于充满氩气、氢气等气体的反应容器中，在两电极之间通电来激发出电弧，此时温度可以达到4000℃。

在这种条件下，石墨就会蒸发，并生成富勒烯、碳纳米管、石墨烯等物质。

通过调节催化剂和各气体成分的配比及含量，可以有效控制几种产物的相对产量。

研究者用电弧法在1990年制备出富勒烯，1991年制备出碳纳米管。

现在电弧法广泛用来生产富勒烯、碳纳米管等物质。

电弧法在技术上比较简单，还可以方便地得到掺杂石墨烯，但制得的石墨烯中常含有其它碳材料，很难得到高纯度石墨烯。

此外，该方法反应消耗能量太大，而且制得的墨烯一般为多层，尺寸也较小。

对电弧炉装置进行结构改造，控制电弧炉的各种反应参数，并在电弧法的基础上综合利用其它方法，对大规模制备高质量的石墨烯有着重要意义。

3.6化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）常用来制备薄膜，一般是将过渡金属晶体基体置于碳氢化合物等气体混合物中加热，以催化裂解碳氢化合物来生成碳原子，最后通过降温在金属基体上形成石墨烯。

对于化学气相沉积法，各气体的含量、退火温度、反应温度、加热时间、降温速率等对石墨烯的制备有着重要的影响。

化学气相沉积法可以大面积制备结构良好的石墨烯，较好地转移石墨烯。

能满足规模化生产高质量石墨烯的要求，有利于石墨烯的工业化生产。

但是，CVD法制备石墨烯刚刚兴起，还很不完善，将来的工作重点在于：

①控制上述因素，制备层数、面积可控且结构均匀的石墨烯，并继续探索一种更加简单有效的石墨烯转移技术；②进一步探讨石墨烯的生成机理，为石墨烯的大规模制备、应用奠定基础；③通过改变气体等成分来制备掺杂石墨烯，进一步拓宽石墨烯在半导体产业中的应用。

4.石墨烯的应用

4.1石墨烯在纳电子器件方面的应用

2005年，Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率（约10am/V·s），并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300K下可达0.3m），这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。

[6]较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。

此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。

最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。

荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。

与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路，包括导电通道、量子点、电极、势垒、分子开关及联结部件等，可在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题。

目前，IBM，Intel等公司已相继投人巨资开展石墨烯在纳电子器件方面的应用探索。

4.2未来的计算机芯片材料：

石墨烯取代硅

马里兰大学物理学家的研究显示，未来的计算机芯片材料可能是石墨烯（Graphene）而不是硅。

电子在石墨烯中的传导速度比硅快100倍，这将为高速计算机芯片和生化传感器带来诸多进步。

马里兰大学纳米技术和先进材料中心的物理学教授Michael．Fuhrer领导的研究小组称，他们首次测量了石墨烯中电子传导的热振动效应，发现的结果显示石墨烯中电子传导的热振动效应非常细微。

在任何材料中，温度和能量会引起电子的振动。

电子穿过材料时，它们会试探振动的电子，诱发了电子的反作用力。

这种电子的反作用力是材料的固有属性，不能被消除，除非冷却到绝对零度，热振动效应对传导性有重要的影响。

4.3石墨烯在减少噪声方面的运用

美国IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯（Graphene）”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f噪声。

石墨烯作为形成纳米级晶体管和电路的“Post-Si材料”，正在全球进行研究开发。

普通的纳米元件随着尺寸的减小，被称作1/f的难以控制的噪音越来越明显，存在信噪比恶化的问题。

这种现象就是众所周知的“波格定律（Hogue’slaw）”，即使采用石墨烯、碳纳米管以及硅材料也会产生该现象。

因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。

IBM此次利用单层石墨烯试制晶体管，并确认该元件符合波格定律。

另一方面，通过重叠二层石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。

通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。

虽然要解释此次的现象还需要进一步的研究，但此次的发现证明二层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

此次的成果已在学会杂志“NanaLetters”上做了报道。

[7]

4.4储氢或做气敏材料

由于氢气是一种自然界包含资源多，没有污染，容易制备等特点，现在已经是作为重要的未来能源的重要替代品，研究石墨烯的储氢能力更加显示出其强大的应用前景。

据美国能源部给出的目标是储氢能力质量百分比不低于6.0％，并且是越高越好，吸附能介于－0.20-－0.70eV/H2。

最近铝掺杂的石墨烯储氢的能力质量百分比达到5.13％，吸附能为－0.26eV/H2，以及可作为一氧化碳传感器和在不同温度下一氧化碳的吸附和解吸附的研究等。

5.课程建议

新型炭材料科学这么课程，既是对过去炭材料的发展史做出了梳理，又是对将来炭材料的发展做出了展望。

是学生充分认识炭材料，了解炭材料的一门优秀课程。

而且此课程为双语课程，更是有助于同学在专业外语上的发展。

老师与同学的交流和沟通也很到位，不仅是在课堂上，更是在课余时间。

深入了解学生所需，更是根据学生的反应及时调节下节课内容。

真正做到想学生之所想，解学生之所惑，是学生的好老师和好榜样。

但是我认为这么门课程还是存在一些不足之处，比如说我们应该在学期开始之前就把所讲的知识给同学们，方便同学们及时的预习和复习。

其次应增加一些知识的反馈，我们此次课程只有一次作业，并不能及时准确的了解学生的学习掌握情况。

所以，希望在下次课程中老师能够考虑学生的一点建议。

参考文献

[1]刘乐浩,李铁虎,赵廷凯等.石墨烯的研究进展[J].材料导报,2012,26（9）:

37-41,51.DOI:

10.3969/j.issn.1005-023X.2012.09.008.

[2]胡耀娟,金娟,张卉等.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].物理化学学报,2010,26（8）:

2073-2086.

[3]朱振峰,程莎,董晓楠等.石墨烯的制备和应用[J].功能材料,2013,（21）:

3060-3064,3071.DOI:

10.3969/j.issn.1001-9731.2013.21.002.

[4]马文石,周俊文,程顺喜等.石墨烯的制备与表征[J].高校化学工程学报,2010,24（4）:

719-722.

[5]PETERWSUTRER，JANIFLEGE，EUASURIER．Epitaxialgrapheneonruthenium[J]．NatureMaterials，2008，5（7）：

406-411．

[6]CLAIREBERGER，ZHIMINSONG，LIXB，eta1．Electronconfinementandcoherenceinpatternedepitaxialgraphene[J]．Science，2006，312：

1191-l196．

[7]WHUMMERS。

R0FLEMAN．Preparationofgraphiteoxide[J]．JAmChemSoc，1958，80：

1339．勤劳的蜜蜂有糖吃