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：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AbstractAs an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties．Synthesis of graphene via different ap—proacbes，such as micro mechanical stripping，chemical stripping，chemical synthesis，epitaxial growth，arc dis—charge，and chemical vapor deposition，are discussed in detail，and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed．Also application progress of gre—phene in polymer composites，micro electronics，optics，energy and biomedicine are summarized，and the main re—search direction and development trend are imagined．Key words graphene，preparation methods，application1.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0.35 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(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130 GPa ，是钢的100多倍；其载 流子迁移率达1．5x104cm 2·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2．5×105cm 2·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(Hall effect )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100 nm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200 000cm/(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。