石墨烯综述.pdf

石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。它的出现为科学界带来极大的奉献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最正确无机纳米技术。由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，到达均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。石墨烯的内部结构是以碳原子以sp2杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。如图1-1所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不管是沉积在最底层的还是不收区域限制的。，如图1-2所示，蒙特卡洛模拟〔KMC〕做出了相应的验证[3]。上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集[3-6]起来。同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能图1-1.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[7]。Figure1-1.Graphene:thebuildingmaterialforothergraphiticcarbonmaterials.Itcanbewrappedupinto0Dbuckyballs,rolledinto1Dnanotubesorstackedinto3Dgraphite[7].图1-2.单层石墨烯的典型构象[1]。Figure1-2.Typicalconformationofgraphenesingle-layer[1].石墨烯的结构是单原子层的，正是由于单原子层的独特性，为很多独特的物理特性奠定了基础，正如前文所提到的，每个碳原子都存在一个未成键的独立结构的π电子，最终这些π电子会运行成一条二维的垂直的轨道，在运行过程中，π电子在轨道内自由移动，这便是导电性的来源。有关实验曾验证过，载流子的移动速度约为15000cm2/(V·s)，约为光速的三百分之一[8]，在液氦这样的的特定温度下，载流子的移动速度甚至可以到达两万多[8]，远远高于其他普通的半导体材料，比硅导体、如锑化铟等，这样的特性使得其电子性质相似于微子结构的相对论。同时，电子在晶格内部的运行也是不受限制的，没有散射，传输性质极好，另一方面，石墨烯的电学特性也因电子结构的存在而极其特异，例如室温量子霍尔效应〔quantumHalleffect〕等[9-10]。因为石墨烯内部相邻的碳原子都会结合形成σ键，其结合性很强，这就看出了其较强的力学性质。根据哥伦比亚有关科学家的实验说明，单层的石墨烯的杨氏模量约为1100千帕，这在很大程度上表达了其力学性能，甚至超过最强的钢铁的100倍[11]。石墨烯也具有极强的热导体性能。因为存在在石墨烯内部的载流子的密度限制了其传热主要通过声子，同时电子的导热性可以小到忽略，导热系数约为5000W/(m·K),比一般金属，包括金银等，甚至比碳纳米管还良好[12-14]。石墨烯不仅具有良好的传导性和力学性，还有很多各种各样的性能。比方其边缘的孤对电子导致其具有极强的铁磁性能[15]。由于石墨烯单原子层结构的存在，[16]光学性能的存在也很明显，单层石墨烯的透过率极高[17]。正是由于以上各种特性的存在，石墨烯在纳米技术、光感传感器、聚合材料等发展领域有着深远意义。1.2石墨烯的制备石墨烯的存在极其广泛，但是在科学和工业界的发展也因此受到了一定的限制，也就是如何大规模地制造问题，尤其是单层的石墨烯。在当前的发展下，石墨烯的制备方法主要有：器械分割法、自由生长法、化学沉淀法、高效合成法等。1.2.1机械剥离法早在上个世纪90年代，Rouff等人就针对该种方法做出了有说服力的实验，他们尝试利用高科技的机器从石墨中提取一定的石墨烯，虽说实验不算完全成功，但是也为后来的别离提供了很好的研究意义。Geim和Novoselov〔2004〕又再次采用了该种方法，将提取出来的石墨烯用热胶带不断撕拉，然后将撕拉下来的胶带放在丙酮中利用超声技术，再用硅片把残留在胶带丙酮中的石墨烯提取出来[18]。这样的做法虽然会制备出大量的石墨烯，但是过程极其复杂，需要消耗大量精力，产出的石墨烯中单层的也只是