2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2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 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半
导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。
2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试
2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏
《文献检索与科技论文写作》作业 学生姓名 年级专业 班级学号 指导教师职称
目录 第一部分文献查阅练习 (1) 第二部分文献总结练习 (7) 第三部分科技论文图表练习 (8) 第四部分心得体会 (11)
第一部分文献查阅练习 1、黄毅，陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用.中国科学B辑:化学2009年第39卷第9期:887-896 摘要：石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质.过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点.在石墨烯的研究和应用中，为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性(如分散性和溶解性等)，必须对石墨烯进行功能化，研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作.但是，关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段，对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识.如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战.本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展，并对功能化石墨烯的应用作了介绍，最后对相关领域的发展趋势作了展望. 关键词：功能化应用 2、胡耀娟,金娟.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用. 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)Acta Phys.-Chim.Sin.,2010,26(8)：2073-2086 摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质.有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一.本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词：制备功能化应用. 3、杨永岗,陈成猛,温月芳.新型炭材料.第23卷第3期 2008年9月：193-200 摘要：石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体,也是性能优异的新型纳米复合填料。近三年来,石墨烯从概念上的二维材料变成现实材料,在化学和物理学界均引起轰动。通过述评氧化石墨及氧化石墨烯的制备、结构、改性及其与聚合物的复合,展望了石墨烯及其复合
第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是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。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图
2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。
石墨烯在超级电容器中的应用 前言本文对超级电容器分别从定义，工作原理，特点和分类做了简单介绍，然后以南开大学陈永胜教授的一篇综述介绍了石墨烯在超级电容器中的应用，并做了具体的例证分析。 关键词：超级电容器石墨烯修饰石墨烯 在储能领域的发展史上，大致可以分为第一代机械师储能，比如飞轮、发条，第二代化学式储能，如铅酸电池、镍氢镍镉电池以及锂离子电池等，第三代物理式储能如超级电容器。超级电容器其实在我们生活中无处不在，如交通领域，在火车、巴士、汽车、卡车，能源领域，如新能源、风能和太阳能、电网削峰填谷、能量回收，工业领域，如起重机、阀门、挖掘机以及一些重型设备等，在电子领域，如硬盘、存储器和后备电源。超级电容器已经是我们生活中必不可少的一部分，它在我们的社会中扮演着一个必不可少的角色，所以我们有必要深入地去了解一下什么是超级电容器。 超级电容器（supercapacitors），又称为电化学电容器（ECs）。是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件。它是一种功率型的储能器件，通过电极材料与电解液界面形成双电层，或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能。主要包括：电极材料、集流体、电解液 和隔膜，原理图如下：
超级电容器有如下特点：（1）超高比容量（0.1-6000F）。比传统电容器同体积电容量大2000-6000倍。（2）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用较多的铅酸电池、锂离子电池等充电通常需要几个小时。（3）超长寿命，充放电大于40万次。（4）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（5）温度范围宽：–40~ +70℃，一般电池是–20 ~ +60℃。（6）免维护，环境友善。 它和我们常见的化学式储能的电池相比，以及和传统电容器在功率密度和能量密度上的比较如下图所示： 超级电容器按机理可以分为两类：一类是双电层电容，依靠物理
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少
大面积无支撑石墨烯复合纸的印刷制备及其储能性能研究 张哲野，肖菲，奚江波，王帅* 华中科技大学化学与化工学院，湖北武汉，430074 *Email: chmsamuel@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, 近年来，将石墨烯纳米片层组装成宏观结构（如石墨烯纸等）已经取得了显著的突破[1]。我们开发了一种新型的柔性石墨烯/聚苯胺复合纸的制备工艺，首先采用滚筒印刷法在普通商业A4纸上打印一层氧化石墨烯纸，然后以石墨烯水凝胶为基底，通过吸附和原位聚合的方法制备石墨烯/聚苯胺水凝胶，再通过球磨处理制得稳定分散的石墨烯/聚苯胺浆料，最后采取喷墨打印的方法将石墨烯/聚苯胺浆料打印在柔性的氧化石墨烯纸上，并通过氢碘酸一步还原和剥离处理即得柔性石墨烯/聚苯胺复合纸，这种新型石墨烯复合纸的比电容高达864 F/g。以该复合纸为电极材料，选择固态电解质，研制开发柔性全固态超级电容器，该器件具有较高的能量密度、良好的循环稳定性和机械性能，使其在柔性能源器件和可穿戴电子产品行业具有广泛的应用前景。 Fig.1 The photograph of graphene nanocomposite paper and the electrochemcial performance of all-solid-state device 关键词：印刷法；聚苯胺；无支撑石墨烯复合纸；柔性全固态超级电容器 参考文献 [1] El-Kady, M. F.; Strong, V.; Dubin, S.; Kaner, R. B. Science2012, 335: 1326. Scalable synthesis of freestanding graphene nanocomposite paper by printing method and its energy storage characteristics Zheye Zhang, Fei Xiao, Jiangbo Xi, Shuai Wang* School of Chemistry & Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 Nowadays, remarkable progress has been made in self-assembly of graphene nanosheets into macroscopic structure such as graphene paper. Here we demonstrate the fabrication of a new type of flexible graphene/polyaniline nanocomposite paper, which was fabricated by spreading graphene oxide (GO) solution on a piece of standard commercial A4 paper, followed by modified the GO paper with the home-made graphene/polyaniline ink by inkject printing method. Then, the resultant GO-based nanohybrid paper was chemically reduced using hydroiodic acid solution and simultaneously peeled off from A4 paper via a bubbling delamination method to form a freestanding graphene/polyaniline paper, which has a high specific capacitance of 864 F/g. The flexible and lightweight all-solid-state symmetric supercapacitor fabricated by graphene nanohybrid paper electrodes and polymer gel electrolyte exhibited high energy density, remarkable mechanical flexibility and reasonable cycling performance. These observations substantially demonstrate its extensive potential applications for flexible energy-related device and wearable electronics.
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 纳米技术课堂报告 课程名称：纳米技术 院系：航天学院微电子科学与技术系班级：21系 设计者：王立刚 学号：14S121034 指导教师：王蔚 哈尔滨工业大学
纳米结构下的石墨烯材料 第一章，纳米小尺寸效应 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用，尤其是在小尺寸方面的应用。 小尺寸效应：当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。 第二章，石墨烯的特性 一直以来，科学家们都认为单层的石墨烯是不可能稳定存在的。他们一直都错误地认为，若要用力将石墨烯从石墨上剥离下来的话，那么石墨烯的结构就会被这个力所破坏，而且固体的熔点也会随着粒子厚度的减小而非常快的减小，当粒子的厚度减小到几个原子层厚度的时候，固体就会熔化。另外，在二维晶体中由于内能的存在，原子的振动幅度会变得非常大，因此原子的错位将变得相当的严重，这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同，因此它不能保持单层的结构。 然而2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫在实验室中竟然成功地制备了稳定的石墨烯。这无疑是让世界震惊的，然而他们得到稳定石墨烯的方法却简单到不可思议。他们先通过已经知道的方法得到石墨片，这个石墨片相对而言是非常薄的，再将这个石墨片剥离得到更加薄的石墨薄片，然后用一种特殊的胶带将这个石墨薄片的两面都粘上，再将胶带撕开，这样石墨薄片就会被一分为二，变得更加薄。石墨薄片在这样的不断被剥离
1 拓扑绝缘体 自然界的材料根据其电学输运性质，可分为导体，半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面（如图a所示），半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中（如图b所示）。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态，这些无能隙的边缘激发处在禁带之中，并且连接价带顶和导带底（如图c，d所示）。从这个意义上讲，拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论，费米能落在晶体材料的带隙中时，材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体，存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体，当考虑存在边界的拓扑绝缘体时，将出现贯穿整个能隙的边界态，这些特殊的边界态和体系的拓扑性质（由体系的拓扑数决定）严格对应，因而只要不改变体系的拓扑性质，这些边界态就不会被破坏。 拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙，但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似，它的费米能级位于导带和价带之间，而在其表面存在一些特殊量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂志与无序的影响。 从广义上讲，可分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系；另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。 2半金属 semimetal halfmetal 半金属：介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看，金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的，电子能自由运动，有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带（又称价带），价带与导带之间的禁带宽度较大。
浅谈石墨烯的发展与应用 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。 一、Graphene的结构 Graphene是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接，由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。 在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子光谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。对于三及三以上数目的薄层，光谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 二、Graphene的性质 虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公
石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年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光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在
文章编号:1007-8827(2016)04-0363-15 石墨烯在电化学储能过程中理论研究进展 苏方远,谢莉婧,孙国华,孔庆强,李晓明,刘卓,陈成猛 (中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室,山西太原030001) 摘要:本文对目前石墨烯在电化学储能过程中理论计算的研究进行系统整理,从石墨烯材料电子结构特征出发,对其在超级电容器二锂离子电池和氧还原过程中石墨烯起的作用进行综述,详细讨论了石墨烯在以上不同电化学环境中与物质的相互作用机制,为新型石墨烯基电化学储能器件的研究提供理论基础和研究思路三 关键词:石墨烯;电化学储能;理论计算;电子结构 中图分类号:TQ127.1+1文献标识码:A 收稿日期:2016-04-26;修回日期:2016-07-30 基金项目:国家自然科学基金(51402325). 通讯作者:陈成猛,副研究员.E-mail:ccm@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, 作者简介:苏方远,博士,助理研究员.E-mail:sufangyuan@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, Theoretical research progress on the use of graphene in different electrochemical processes SU Fang-yuan,XIE Li-jing,SUN Guo-hua,KONG Qing-qiang, LI Xiao-ming,LIU Zhuo,CHEN Cheng-meng (Key Laboratory of Carbon Materials,Institute of Coal Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Taiyuan030001,China) Abstract:Recent progress in the theoretical research on the band structures of perfect,defective and doped graphenes is reviewed.The relationship between the quantum capacitance of graphenes in supercapacitors and their band structures is analyzed. Electronic interactions and the diffusion behavior of Li ionsin different graphenestructures in lithium ion batteries are summarized. The role of different structures in the oxygen reduction reaction in the lithium-air battery is elaborated.This theoretical research lays a solid foundation for new ideas for novel graphene-based energy storage devices. Keywords: Graphene;Electrochemical energy storage;Theoretical calculation;Electronic structure Foundation item:National Natural Science Foundation of China(51402325). Corresponding author:CHEN Cheng-meng,Associate Professor.E-mail:ccm@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, Author introduction:SU Fang-yuan,Assistant Professor.E-mail:sufangyuan@https://www.doczj.com/doc/de915046.html, 1 前言 石墨烯由于具有二维平面几何特征和独特的电 子行为被广泛用于电化学储能研究领域,改善诸如 超级电容器二锂离子电池的输出性能和提高氧还原 过程(ORR)电催化活性三目前文献中大量实验结 果报道也证实了石墨烯对不同储能领域场合的作 用[1-7]三同时,研究者们也进行了大量的理论计算,从原子和电子的层次对石墨烯的作用机制进行解 释三本文将对目前石墨烯在电化学过程中的理论计 算结果进行综述,以超级电容器二锂离子电池和ORR过程为典型代表,整理目前得到的重要结论,加深对石墨烯功能的理解,也为新型石墨烯基电化学储能器件提供研究思路三 从电化学角度来讲,石墨烯在储能器件中所起 的作用主要有四种:一种是石墨烯不参与电化学反 应,仅仅通过与电解液形成双电层作用来存储电荷, 提高电容效果,这种情况主要出现在超级电容器中; 另一种则是与活性物质发生电化学反应,通过电子 转移而产生法拉第电流,并为电化学反应的生成物 提供存储场所,如锂离子电池等,或者虽然不发生电 化学反应,但是可以通过与生成物相互作用而将其 固定,同样提供存储场所,如锂硫电池[8];同时,石墨烯还可以为电化学反应提供催化效果,降低电化 学反应所需的能量势垒,如ORR等;还有一种则是 利用自身导电性提高电极的电导率,降低充放电过 程中的欧姆电阻三最后一种跟具体电极制备过程密 切相关,所以目前的理论计算主要集中在前三个方 第31卷第4期 2016年8月新型炭材料 NEW CARBON MATERIALS Vol.31 No.4 Aug.2016
Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57 Published Online May 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/de915046.html,/journal/japc https://www.doczj.com/doc/de915046.html,/10.12677/japc.2016.52006 Progress in Surface Properties and the Surface Testing of Graphene Jinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu1 1School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, Shanghai Received: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/de915046.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Graphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion. Keywords Surface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene 石墨烯的表面性质及其分析测试技术 戴进峰1*，王国建1,2，吴承恳1 1同济大学材料科学与工程学院，上海 *通讯作者。