石墨烯性能簡介

《石墨烯性能簡介》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、WORD格式-可編輯第一章石墨烯性能及相關(guān)概念1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯狹義上指單層石墨，厚度為0.335nm，僅有一層碳原子。但實際上，10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯，而10層以上的則被稱為石墨薄膜。單層石墨烯是指只有一個碳原子層厚度的石墨，碳原子-碳原子之間依靠共價鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。完美的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，由六邊形晶格組成，理論比表面積高達2.6×102m2/g。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(3×103W/(m?K))和力學(xué)性能(1.06×103GPa)

2、。此外，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，室溫下的電子遷移率高達1.5×104cm2/(V·s)。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)、突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，引起科學(xué)界巨大興趣，成為材料科學(xué)研究熱點。石墨烯結(jié)構(gòu)圖專業(yè)知識--整理分享WORD格式-可編輯2石墨烯結(jié)構(gòu)石墨烯指僅有一個原子尺度厚單層石墨層片，由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳-碳鍵長約為0.142nm。每個晶格內(nèi)有三個σ鍵，連接十分牢固形成了穩(wěn)定的六邊狀。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導(dǎo)電的過程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳納米管、富勒烯的基本組成單元，可以將它看

3、做一個無限大的芳香族分子，平面多環(huán)烴的極限情況就是石墨烯。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。在單層石墨烯中，每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子成鍵給構(gòu)整流變形，每一個六邊單元實際上類似苯環(huán)，碳原子都貢獻出個一個未成鍵電子。單層石墨烯厚度僅0.35nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳原子之間連接及其柔韌。受到外力時，碳原子面會發(fā)生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石墨烯是有限結(jié)構(gòu)，能夠以納米級條帶形式存在。納米條帶中電荷橫向移動時會在中性點

4、附近產(chǎn)生一個能量勢壘，勢壘隨條帶寬度的減小而增大。因此，通過控制石墨烯條帶的寬度便可以進一步得到需要的勢壘。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎(chǔ)的電子器件的基礎(chǔ)。專業(yè)知識--整理分享WORD格式-可編輯石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖3石墨烯性能石墨烯是一種超輕材料，面密度為0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超強的導(dǎo)電性。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，是硅的100倍，在室溫下可以達到15000cm2/(V·s)。電阻率比鋁、銅和銀低很多，只有10～6Ω·cm左右。二是具有超強的導(dǎo)熱性。石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅、鋁等金屬的數(shù)10倍，導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/m

5、?K。三是具有超強的力學(xué)性，石墨烯的硬度超過金剛石，斷裂強度達到鋼鐵的100倍。四是具有超強的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高達97.7%。五是具有超強的比表面積。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2，達到2630m2/g。專業(yè)知識--整理分享WORD格式-可編輯3.1石墨烯的光學(xué)性能石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有優(yōu)異的光學(xué)性能。理論和實驗結(jié)果表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透過率為97.7%。從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3%，因此可以根據(jù)石墨烯薄膜的

6、可見光透射率來估算其層數(shù)。結(jié)合非交互狄拉克-費米子理論，模擬石墨烯的透射率，可以得出與實驗數(shù)據(jù)相符的結(jié)果。根據(jù)折射和干涉原理，不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下會顯示出不同的顏色和對比度，為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便。理論和實驗表明大面積石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)性能，且其光學(xué)特性歲石墨烯的厚度發(fā)生變化。石墨烯薄膜是一種典型的透明導(dǎo)電薄膜，可以取代氧化銦錫（ITO）、摻氟氧化銦（FTO）等傳統(tǒng)薄膜材料，即可克服ITO薄膜的脆性缺點，也可解決銦資源稀缺對應(yīng)用的限制等諸多問題。石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可作為染料敏化太陽能電池和液晶設(shè)備的窗口層電極。另外，當(dāng)入射光的強度超過

7、某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和。這一非線性光學(xué)行為成為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強光輻照下，由于其寬波段吸收和零帶隙的特點，石墨烯會慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué)，如光纖激光器等。3.2石墨烯的電學(xué)性能石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道電子形成π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強，專業(yè)知識--整理分享WORD格式-可編輯在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生碰撞，石墨烯中的電子收到的干擾也很小。電子在石墨烯中傳輸時不易發(fā)生散射，傳輸效率1.5×105cm2/(V·s)，約為硅中

8、電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達10