纳米石墨烯片分散液的合成
李丹马克·穆勒斯科特·吉尔理查德·坎儿戈登·华莱士
1、澳大新南威尔士州2522，超级电材料科研中心中心，智能高分子研究所，卧龙岗大学。
2、美国洛杉矶，加利福尼亚90095-1569，化学与生物化学系，材料科学与工程系，加利福尼亚纳米技术研究院，加利福尼亚大学。
电子邮件：danli@https://www.doczj.com/doc/b39227398.html,.au gwallace@https://www.doczj.com/doc/b39227398.html,.au
摘要：石墨烯拥有非凡的电学性能、热力学性能以及力学性能，预计在不久的将来将会得到广泛的应用。大多数人认为石墨烯被利用的前提是能大量生产可实用的纳米石墨烯片。在没有使用分散剂的情况下，如果从二者的混合的水溶液中直接分离石墨和石墨烯被认为是不可逾越的挑战。据说石墨通过化学方法制备的石墨烯可以很容的通过静电稳定形成稳定的水性胶体。这一发现使我们在不使用聚合物和表面活性剂的情况下，通过一个简单的方法大规模生产稳定的石墨烯分散液成为可能。我们的研究结果使人们能够通过低成本的溶液法合成石墨烯材料，并且为这一独特的碳纳米结构在许多技术应用方面的使用提供了机会。
正文：
近年来，石墨烯这种新的二维碳纳米结构在理论和实验两个方面都吸引了科学界极大关注。这种独特的纳米结构在许多技术领域拥有巨大的应用潜力，如纳米电子器件，传感器，纳米复合材料、电池、超级电容器、储氢装置。然而，目前认为利用石墨烯应用的一个主要障碍是缺乏一种能有效大批量合成石墨烯的方法。
像碳纳米管和其他纳米材料一样，石墨烯在大批量合成与制备的一个关键挑战是聚集。石墨烯具有高的比表面积，除非彼此分开，否则容易通过范德华力形成不可逆的聚集体甚至重新堆叠形成石墨。这个问题以前已经在通过化学转变和热膨胀/还原法大规模生产石墨烯中遇到过。对石墨烯片最重要的就是聚集的预防，因为这一独特的性能只于它的片层有联系。通过把高分子或聚合物附着在片层上可以减少聚集。然而，目前国外现存的稳定剂在许多应用中并不适用。因而批量生产相对纯净而且使它们彼此分离的石墨烯片是我们的战略。
由天然和合成的大量廉价可实用的石墨是由许多石墨烯片组成的。因而用于批量生产石墨烯片的最容易和最廉价的来源可能就是这个普通碳材料。石墨烯最初是通过机械剥离石墨获得的，而且目前在大多数实验研究中所用的石墨烯都是采用此方法制备的。然而，这种低生产效率的方法并不适合大规模使用。石墨的化学转变法似乎是一种低成本批量生产石墨烯的有效方法。
最近由鲁夫和同事证实，解决该方案的基本路线是通过化学氧化石墨得到水溶性的氧化石墨，然后在水中通过超声波很容易剥离成单个的氧化石墨烯片（GO）（图1）。电绝缘的氧化石墨烯可以通过化学还原法转变成石墨烯，例如使用水合肼。不幸的是，以前的实验已经表明，由于其憎水性使得通过化学转变法获得的石墨烯片（CCG）在不使用稳定聚合物的情况下沉淀为不可逆的凝聚体。而且所得到的石墨烯团似乎是不溶于水和有机溶剂，这使得进一步处理困难。
它是众所周知的剥离的氧化墨（GO）可以形成分散良好的水溶性胶体。我们对所制备的GO薄片的表面电荷（ζ电位）的研究表明，这些片材在水中分散时（图2a）带有高的负电荷，显然这是由于存在GO片上的羧酸和酚羟基基团中的电离的结果。这一结果表明，稳定GO胶体的形成应归功于静电斥力，而不只是先前推测的亲水性。由于在水和肼的反应条件下羧酸基团不太可能被还原，因此我们可以通过FT-IR分析证实这些基团应该还留在还原产物（图2b）。羧酸基团的存在表明还原后的石墨烯片表面在水溶液中应该仍带有电荷。我们推测，静电排斥机制会使得稳定的GO胶体形成均匀分散的石墨烯胶体。
图1
我们以前对自由导电聚合物的水性胶体稳定剂的合成在内的许多胶体实验证明，一个静电稳定分散的胶体稳定性是强烈依赖于pH值，电解质浓度，和分散颗粒的含量。通过控制这些参数，我们发现使用化学转化法合成的石墨烯片的确能够通过静电稳定形成稳定的胶体。在一定的控制条件下氧化石墨烯分散体可
通过水合肼还原直接转变为稳定的石墨烯胶体（图1）。而且不需要使用聚合物或表面活性剂。我们还发现，在起始合成氧化石墨的金属盐和酸应完全除去，这对稳定性有至关重要的影响。因为这些残留的电解质能中和片层上的电荷，使产生的分散体不稳定。
图2
为了得到最大电荷密度的石墨烯片，用氨水调节溶液PH值大约上升至10。因为挥发性的氨水可以很容易去除石墨烯片上的固体膜和复合物。使用过量的水合肼会使分散液呈碱性。然而，水合肼是剧毒的，应尽量减少使用。此外，我们还发现在还原过程中，石墨烯片会在水/空气界面倾向于水蒸发的一侧结块形成一层黑色固体出现在液体表面。关于这个问题我们可以通过添加一层与水不混溶的液体溶液（如矿物油），以消除水/空气界面的形成。
我们注意到，如果GO分散体的浓度低于0.5毫克/毫升时，在一定条件下，降低水合肼的使用量会使CCG片的颗粒尺寸不断增大（图3a）。用4000转/分钟的离心机离心几个小时候会有沉淀析出。原子力显微镜（AFM）表明，所得到的CCG片在硅晶片上是平坦的，厚度为1纳米左右（图3b）。这些结果表明，从溶液中分离的CCG片与从原始溶液分离的GO相似。
CCG分散胶体性质可以通过丁达尔效应和盐效应两个科学通常使用的实验进一步进行研究。稀释的CCG分散液会产生丁达尔效应，这是由于光散射使激光在通过胶体溶液时留下可辨别的轨道（图3c）。如果向溶液中加入电解质，像氯化钠会使CCG分散体立即凝固沉淀（图3d）。这些通过静电斥力维持胶体稳定的现象，可以通过传统的德加根-朗道-维尔威-奥弗比克理论解释。
图3
值得注意的是在水中，氨水和水合肼会解离产生离子物质作为电解质，因此，随着氯化钠的添加（图3d)，这两种化学品的过度使用会导致所得的分散体失稳我们注意到水合肼使用不能超过最佳用量是（水合肼：GO=7:10质量比），水合肼的浓度增加会使分散体的稳定性降低。例如，如果水合肼与GO的比重增加为7:1，聚集大约会发生一天。在这种情况下，如果想获得稳定的分散体，过量的水合肼必须从所得到的分散体中取出。另外，像其他疏液胶体一样，分散体的稳定性也依赖于CCG的浓度。随着GO分散体的浓度0.5毫克/毫升的减少，会导致凝聚胶化时间推移。
我们对ζ电位分析进一步支持了通过静电稳定形成稳定的石墨烯分散液是可行的。如图2a所示，还原的石墨烯分散体的ζ电位是依赖于PH的，这一个事实，即羧酸基团的离子化与PH值保持一致是密切相关的。虽然在相同pH值是ζ电位的值比原GO薄片有所降低，当pH值大于6.1，ζ电势低于-30 mV。但
是当pH接近10，ζ电势可达到-43 mV 。在胶体科学公知的是当ζ电位值高于-30 mV，通常被认为有足够的斥力来确保分散体的稳定性。
图4
我们使用紫外可见光谱（UV-Vis）对石墨烯分散体形成的反应过程中进行监控。如图4所示，GO分散体在231纳米处的吸收峰逐渐转移至270纳米，而且整个吸收谱区的（大于231纳米）并随着反应进行而增加，这表明了石墨烯片内的电子共轭在水和肼的作用下被还原。吸收点只在一个小时增加，这表明在该期间内还原反应完成。该实验还表明，像共轭聚合物一样，石墨烯的电子共轭是可以通过化学反应控制的，这将为制的特定光学和电学性质的石墨烯片材成为可能。我们还发现如果使用上述的方法可以得到不同还原程度的而且稳定的石墨烯的分散液。
像碳纳米管一样，纳米材料在溶液中的分散是促进许多技术应用的关键。由于其疏水性，在水中直接分离石墨与石墨烯被普遍认为是不可能实现的。首次这项实验表明，在不需要使用任何聚合物和表面活性剂的情况下，普通天然石墨通过适当的化学处理可以产生很容易稳定分散在水中的石墨烯胶体。相对纯净的石墨烯分散体的成功制备的重要意义是可以使常规的低成本的溶液处理技术创造新的基于石墨烯的材料和器件。例如，我们发现到可以通过简单的铸滴稀CCG 分散液沉积在衬底上一个单层的CCG片（图3b），通过这一个简便方法得到的单层石墨烯片可以用来器件制造和性能研究。最近的工作证明，通过水合肼还原GO薄片所获得石墨烯片可以作为P型半导体而且其导电率表现出场效应响应，
这表明我们合成的CCG片将会是一个令人振奋的材料在未来的纳米电子学的使用中。
图5
还原的分散体通过真空过滤很容易在膜滤器上形成均匀的石墨烯薄膜。独立的膜或石墨烯膜片可以从滤膜器上剥落。该薄膜是可弯曲的，并且带有闪亮的金属光泽（图5a）。在室温下使用分段方法测得石墨烯膜片的电导率大约为7200 S/m，这可与经过化学修饰的单壁碳纳米管相媲美。我们注意到鲁夫和他的同事最近又证明GO膜片也可以使用类似的过滤技术制备。由此产生的膜片可以再许多领域使用，包括膜、各向异性导体和超级电容器。我们初步测量表明，从稳定CCG分散体直接过滤得到的石墨烯膜片的拉伸模量高达35 GPa，这与GO膜片的很接近。我们预计高强度、导电性、弹性和热稳定的石墨烯膜片应该比非导电性、热稳定性较小的GO膜片的实际应用更具吸引力。
喷涂技术可以在各种基材上的生产导电的石墨烯涂层，如气体喷刷。像许多其他疏液胶体一样，石墨烯胶体一旦干燥后就不会再分散于水中，所以制备的石墨烯涂层有耐水性。特别重要的是，由于单层石墨烯片的高厚径比，一层非常薄的石墨烯涂层几乎是透明的而且可以形成连续的导电网络。图5b显示了一个在玻片上喷射的CCG涂层的透射光谱。该涂层在室温下的表面电阻率为2.0×107 Ω·m，并且在透可见光波长范围内的透射率高于96%。这个喷镀层的导电性足以在抗静电方面应用。抗静电涂层对材料有至关重要的保护，不同行业的器械和设备。我们可能会研发新一代具有高导电性与透明性、优良的热稳定性和化学稳定性、耐水性、生产成本低的防静电涂层。石墨烯分散体可能因此会有直接的实际应用。
此外，在水中高电荷态的CCG片能够使用层- 层的静电组装技术与其他功能分子像聚合物和纳米材料建立复杂并且可控的基于石墨烯的纳米系统。我们已经证明该方法的可行性，通过交替浸渍石英片在稀CCG分散液和一个典型的阳离子聚电解质液（二烯丙基二甲基氯化铵）。通过吸收光谱（图5c）证实，CCG 片可以成功地使用这种简单的方法组装。注意，先前制备的单层氧化石墨片也可使用这种技术。然而，为了使所得到的石墨氧化膜通点，还需要一个额外的还原步骤。此还原过程很可能会引入很多对复合材料不利的细微的分子结构，如生物分子或共轭聚合物。它已被广泛证实，多层的自组装导电薄膜有很大的潜力在许多应用中，如传感器和神经义肢装置具。我们相信，通过石墨烯膜片静电组装技术会使石墨烯胶体有更多新的应用在纳米领域。
总结，我们已经证明，石墨烯胶体可以很容易地通过控制GO胶体化学转变合成，而不需要任何聚合物或表面活性剂。化学转变合成的石墨烯可被看作一个特殊的水溶性导电高分子，可从由石墨制得。石墨薄片要优于常规合成导电聚合物在热化学稳定性和机械强度方面，并且在生产成本方面的比碳纳米管更具竞争力。此外，像碳纳米管一样，在溶液中充分分散的石墨烯片上仍然残留有羧基官能团，因此可以使用相应的液相化学进一步修饰已获得新的工能。
无分散剂性能的石墨烯为石墨烯与其他化学分子或纳米材料制备大量新的石墨烯基纳米复合材料提供了很大的灵活性。这种容易合成并具有特殊溶液相性质的CCG片，成本低廉而且有导电性的纳米材料，不仅在常规的大规模应用技术领域，如透明抗静电涂料和电化学装置的，并且在新兴技术领域，如柔性/透明的电子，高性能的纳米复合材料，纳米医学和仿生材料都有很大的吸引力。我们相信最近的研究工作将会使石墨烯材料更进一步的走进现实的应用中。
实验部分
合成
氧化石墨是通过改进的Hummers法使用天然石墨（SP-1，海湾碳）合成的，最初方法是由Kovtyukhova于同事提出的。所合成的石墨氧化物悬浮于水中，其溶液颜色是棕色，将其进行透析以完全除去残留的盐和酸。整个实验过程用的都是超纯水。用纯净的氧化石墨分散在水中形成悬浮液，氧化石墨的比重在0.05%最好。使用Brandson数字超声仪（S450D，500W，30%振幅）超声剥离氧
化石墨形成GO，超声30分钟。所获得棕色分散液用离心机转速为3000转/分钟离心30分钟，以去除没有剥离的氧化石墨（通常是很少量的），使用Eppendorf 5702型离心机，转子半径为14厘米。一个典型的氧化石墨经过化学处理转变为石墨烯的方法，量取分散均匀的分散液5.0毫升并加5.0毫升水混合，将5.0毫升水合肼溶液（在水中比重为35%，Aldrich）和35.0毫升氨水（在水中比重为28%，CrownScientific）于一个20毫升的小玻璃瓶中混合。水合肼与GO的重量比为7：10。然后剧烈震动几分钟，并在95度的水浴加热1小时。除非特别说明，根据上述方法制备的石墨烯分散体，用于进一步的表征和膜制作在此次实验中。需要注意的是水和肼在还原混合物时的浓度可以从0.0175％（重量比）（在上面的实验中使用时）被改变以1.75％（重量比）。然而，当浓度大于0.0175％（重量比），为了得到稳定的分散体，一旦还原完成后所得到的分散液中过量的肼，必须通过0.5％的氨水溶液透析完全除去。用于生产高导电的石墨烯薄片的稳定分散体的还原剂的最佳比例为N2H4/GO=7:10（见补充资料）。
图5a所示石墨烯纸，通过使用Anodisc膜过滤器过滤分散液（直径47毫米，孔径大小0.2微米，滤膜），也可用类似方法制备GO膜片。所获的石墨烯膜片由刀片切成大约为4毫米×15毫米的矩形条带并用于机械测试。
表征
紫外-可见吸收发射光谱（UV-vis），使用Shimadzu-1601型紫外分光光度计。该光谱是在不同的反应时间从混合物液测得的（通过稀释30倍）。CCG片在水中的分散或聚集状态，通过测定其平均粒径进行监视，本次使用的是马尔文激光粒度颗粒分析仪。注意，这个仪器的粒径测量是基于该粒子是球形的假设上，因此，该仪器是无法得到的石墨烯片的绝对尺寸。然而，本次测量为分散稳定性的提供一种监测手段。通过真空过滤制备的独立膜的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测得衰减全反射比记录在Nicolet- A V ATAR-360中，FTIR光谱仪由一个智能全方位采样器和锗质结晶体组成。原子力显微镜图像（AFM）拍摄使用的是来自美国维易科公司的SPM -Dimension -3100型。真空抽滤制备的CCG膜片的导电率是通过Jandel RM3 Test Unit方法测量的，使用四点探针头并且针头间的距离为1mm左右。机械拉伸试验是用Q800动态机械分析仪（TA仪器）进行测量的。该样品的张力用薄膜张力夹和钳合规测得大约为0.2微米/牛。拉伸试
验是在控制的应变速率模式下预先拉力用0.001牛并且拉力变化率为0.01％/min 下进行的。
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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。
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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
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1) 1.1 石墨烯简介 (1) 1.2 石墨烯的结构和性质 (2) 1.2.1 石墨烯的结构 (2) 1.2.2 石墨烯的性质 (4) 1.3 石墨烯的表征 (5) 1.4 石墨烯的主要制备方法 (6) 2 碳纳米管 (8) 2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8) 2.2 碳纳米管的结构和分类 (9) 2.2.1碳纳米管的结构 (9) 2.2.2碳纳米管的分类 (11) 2.3 碳纳米管的生长机理 (12) 2.3.1 顶部生长机理 (12) 2.3.2 底部生长机理 (13) 2.4 碳纳米管的性能 (14) 2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14) 2.4.2 热学性能 (14) 2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15) 2.4.4 光学性能 (16) 2.5碳纳米管的制备 (16) 2.5.1 电弧放电法 (16) 2.5.2 激光蒸发法 (17) 2.5.3 化学气相沉积法 (18) 2.6.碳纳米管的预处理 (19) 2.6.1 碳纳米管的纯化 (19) 2.6.2 碳纳米管的分散 (19) 2.6.3碳纳米管的活化 (20) 2.7碳纳米管的应用 (20) 2.7.1 在电磁学与器件方面 (20) 2.7.2 在信息科学方面 (21) 2.7.3 储氢方面 (21) 2.7.4 制造纳米材料方面 (21) 2.7.5 催化方面 (22) 2.8 存在问题及发展方向 (22) 3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22) 3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22) 3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)
石墨烯散热片的应用及介绍 摘要：石墨烯材料因其辐射水平优于绝大数散热材料，配合纳米碳粉有特别好的散热作用，因此广泛用于解决电子器件因功耗增大导致的热问题。本文 重点介绍了石墨烯散热片的基本知识，散热原理，应用案例。 关键词：石墨烯，散热片，导热系数 1.石墨烯散热片 1.1 石墨烯散热片概述 导热石墨片（TCGS-S）也称石墨烯散热片，是一种全新的导热散热材料，具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，平面内具有150-1500 W/m.K 范围内的超高导热性能，片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。其分子结构示意图如下： 石墨散热片（ TCGS-S ： Thermal Flexible Graphite sheet）的化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到（TCGS-S）石墨化薄膜，因为碳元素是非金属元素，但却有金属材料的导电、导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等一些良好的工艺性能，因此，在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。 1.2 石墨烯散热片的组成 界面导热材料是由基体材料和导热填料组成的复合材料。?
A．基体材料? 石墨烯散热片的基体主要有硅油、矿物油、硅橡胶、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯基散热片的关键点是石墨烯与环氧树脂基体的复合。目前，行业内的供应商将环氧树脂和石墨烯材料采取分层剥离和喷涂，导热系数可达到80w/m.k. B．导热填料 石墨烯散热片以石墨烯或石墨烯与碳纳米管，金属等混合作为导热填料。现有技术很难大量制备高质量的单层石墨烯，而少层或多层石墨烯相对容易制备和较便宜，?且其可保持热传导性质，石墨层可自然地连接到散热片上，?避免了?应用中接触热阻的问题，导热效率较常规的纳米散热片提升20%以上。 1.3.石墨烯散热片的散热原理。 典型的热学管理系统是由外部冷却装置，散热器和热力截面组成。而散热片的重要功能是创造出最大的有效表面积，在这个表面上热力被转移并有外界冷却媒介带走。石墨散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。 图 1 TCGS-S 石墨散热片热扩散示意图 2.石墨散热片的应用： 石墨散热片通过在减轻器件重量的情况下提供更优异的导热散热性能，能有效的解决电子设备的热设计难题，广泛的应用于PDP、LCDTV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED 等电子产品。 目前石墨散热片已大量应用于通讯工业、医疗设备、SONY/DELL/Samsung 笔记本、中
第四、五章总结 石墨烯、碳纳米管的化学生物传感 一、石墨烯和碳纳米管 1、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0.35 nm，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。 2、碳纳米管是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp 2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 由于石墨烯和碳纳米管独有的结构和奇特的物理、化学特性，迅速成为备受瞩目的国际前沿和研究热点。 二、石墨烯和碳纳米管的制备 1、石墨烯的制备 （1）机械剥离法(机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨表面剥离开来。是制备石墨烯最为直接的方法。但低产率和尺寸不易控制等缺点使该方法仅适用于实验室的基础研究。) （2）氧化石墨-还原法(利用KClO 和HNO 可以使石墨层深度氧化，获得氧化石墨(GO)，GO与石墨烯具有类似的平面结构，以其为前体采用适当的还原方法可以使其表面的功能团消除，获得石墨烯材料。) （3）化学气相沉积法(采用一定化学配比的气体为反应物，在特定激活条件下，通过气相化学反应可在不同的基片表面生成石墨烯膜层。优点一、获得单层石墨烯比例大，二、结晶完整度高。缺点：成本高产量低。) 2、碳纳米管的制备方法 自发现CNTs以来人们尝试了多种方法进行制备研究，取得了一定的进展。如电弧法、激光蒸发法、催化裂解法等。在以上许多的制备方法中，有一个共同的特点，即产生小的碳(Cn)组分以使CNTs生长，从这一点来看，各种合成方法的区别在于产生碳组分的方法不同。电弧法和激光蒸发是由电极或靶蒸发产生的碳蒸气；催化裂解法是由碳氢化合物与催化剂相互作用产生的碳蒸气。 三、石墨烯和碳纳米管的功能化 所谓功能化就是利用石墨烯和CNTs在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯或CNTs表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。由于石墨烯和CNTs具有类似的结构，而且表面都含有羧基、羰基等含氧基团，因此对两者表面进行功能化的方法可以一致，即共价键合功能化和非共价键合功能化 四、石墨烯和碳纳米管在化学生物传感技术中的应用 1、石墨烯的应用 （1）基于其荧光效应LuCH等通过标记荧光染料的单链DNA吸附于氧化石墨烯上制备出一种复合物，进而用于目标单链DNA的检测。 （2）基于其载体作用Zhang Y等发展了一种制备Fe3O4纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的新方法，该复合材料可以实现磁靶向纳米药物输运等用途。 （3）基于其拉曼效应M.Manikandan等分别用原位合成和混合超声的方式
石墨烯纳米片调控生物可降解PLA/PBAT共混物的形态结构和性 能 聚乳酸(PLA)是一种重要的生物基可降解塑料,由于其易加工、机械强度高等优异性能,在替代石油基非降解塑料方面具有巨大的潜力。尽管如此,PLA存在韧性差、热稳定性差等缺点,限制了其应用。 将PLA与生物可降解的柔性树脂聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)共混,可以在不牺牲其生物降解性的前提下提高其韧性。然而,PLA和PBAT不相容,导致其相界面结合弱,力学性能差。 添加纳米填料是调控PLA/PBAT共混物形态结构和性能最有效的方式之一。本论文通过引入石墨烯纳米片(GNP)来调控PLA/PBAT的形态结构与性能。 主要结果如下:(1)GNP对PLA/PBAT形态结构和性能的影响。首先采用溶液法制备PLA/GNP母料,再通过熔融共混制备了 PLA/PBAT/GNP纳米复合材料。 透射电镜(TEM)结果表明,PLA与PBAT不相容,呈“海-岛”状分布;GNP主要分布于PBAT相,出现明显的团聚;随着GNP含量的增加,PBAT相开始变形,尺寸变大。拉伸试验结果表明,PBAT对PLA具有增韧效果,而GNP的加入在保持 PLA/PBATi共混物拉伸强度和拉伸模量不变的情况下,进一步提升其韧性,断裂伸长率最大提高了23%。 利用差示扫描量热仪(DSC)和偏光显微镜(POM)对PLA结,品行为和结晶性能进行了研究。结果表明,PBAT和GNP的加入促进了 PLA结晶。 热重分析(TGA)-表明,GNP的引入提高了 PLA/PBAT的热稳定性。流变性能测试表明,随着GNP的加入,共混物的储能模量和复数黏度均有所增加。 (2)PEO对GN P的分散性以及PLA/PBAT/GNP纳米复介材料性能的影响。为
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
石墨烯碳纳米管散热涂料技术 （1）项目背景 碳材料是目前人类认知的材料中功能最全、性能最优越、形式最多样的材料，是目前所有已知划时代材料所有不能比拟的，继硅时代之后21世纪甚至有望成为碳材料时代。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构， 每一次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有超强的力学性能和热传 导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6000W/m.K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3000W/m.K，是热导率最高的材料。同时，碳纳米管比表面积大，被誉为世界上 最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的 1.0。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送 密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料。 碳纳米管在功能涂料领域主要发挥以下主要作用： （1）导电填料：碳纳米管的导电阈值低至0.1wt%，而传统炭黑却高达15wt%以上，碳纳米管可以在极少量添加的情况下即达到目前炭黑型导电涂料的 性能，避免大量无机炭黑添加对涂料工艺性的负面影响。因此，碳纳米管在抗静电涂料、电磁屏蔽涂料、重防腐涂料等领域具有显著优势。同时还能利用其电致发热的作用，开发新型的节能加温、保温涂料，在家居地暖加温、仪器设备保温等新型市场具有极大的商业前景。 （2）散热填料：碳纳米管不仅具有超高的热导率，同时还具有接近理论黑体的辐射率，以此加强其红外辐射散热功能，因此新型散热涂料将有望改变目 前散热模式，大大提高热交换能力。 （3）力学增强填料：充分发挥碳纳米管一维结构的优势，在涂层内部形成增强网络，将使涂料力学性能大大提高，尤其是耐磨性、硬度等，甚至可形成
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。
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
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
1、简述碳纳米管和石墨烯的成建构成？ 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)作为碳的第四种同素异形体，由于其准一维的管状纳米结构，以及独特的机械、电子传导、气体吸附等性质，越来越被人们所关注和研究，并已在多种领域得到广泛的应用。 2、碳纳米管的性能由直径D和手性角θ来确定。已知碳纳米管单胞的手性矢量为C=na1+ma2 ，试推导碳纳米管直径D和手性角θ表达式。当（n，m）为（8，0），（8,4），（8,3）时判断碳纳米管类型。 CNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定，而这两个参数又取决于两个整数n和m值，Ch=na1+ma2，a1和a2为CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致了不同的纳米管结构1,5。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。 根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。
石墨烯纳米片性能参数 石墨烯纳米片性能参数，这是我们在购买前需要了解的事情。石墨烯纳米片具有优良 的导电，润滑，耐腐，耐高温等特性。制备的石墨烯纳米片厚度在4～20nm,微片大小在5～10μm,小于20层。石墨烯纳米片在导热方面显示了它优异的特性，应用在导热胶，导热高分子复合材料，散热材料中。同时在导电橡胶，导电塑料，抗静电材料方面有广阔的 应用前景。下面就由先丰纳米给大家简单的介绍石墨烯纳米片性能参数。 性能: 1、具有高比表面积和发达的中孔,孔隙结构分布合理。 2、具有优异的吸波防辐射屏蔽性能,可有效降低内阻,屏蔽辐射。, 3、石墨烯除了有很好的导电性能外,还具备优异的机械性能及导热性能,是导电涂料添加剂 4、石墨烯的导热系数高,将其用于导热涂料可有效传导材料的内部温度,增强导热效果。 应用领域: 1、导电涂料,纳米导电复合材料、纳米电子器件、塑料、橡胶和锂离子电池等方面具 有广泛的应用前景。 2、防屏蔽涂料,石墨烯具有优异的吸波,防辐射屏蔽功能,可直接应用于防屏蔽涂料,军工等防辐射材料。 3、塑料里掺入百分之一的石墨烯,能将它们转变成电导体,且增强抗热和机械性能。
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