大面积石墨烯的制备—CVD法
原 理 将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属或金属表 面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表面形成石墨烯.
生长条件
生长机体 碳源
气压
烃类气体
甲烷( CH4) 乙烯( C2H4) 乙炔( C2H2)
镍膜 铜箔
载气 温度
பைடு நூலகம்面积石墨烯的制备—CVD法
Cu
Ni
大面积石墨烯的制备—CVD法：
石墨烯性能简介
• • • • 光学性能 电学性能 力学性能 热学性能
光学性能
• 石墨烯具有优异的光 学性能。 • 理论和实验结果表明 ，单层石墨烯吸收 2.3%的可见光，即透 过率为97.7%。 • 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
电学性能
• 石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献 剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可 以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 • 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁 移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子 迁移率的140倍，其电导率可达104S/m， 是室温下导电性最佳的材料。
电学性能 • 石墨烯的导电性可通过化学改性的 方法进行控制，并可同时获得各种 基于石墨烯的衍生物。 • 双层石墨烯在一定条件下还可呈现 出绝缘性。
力学性能 • 石墨烯是已知材料中强度和硬度最 高的晶体结构。 • 其抗拉强度和弹性模量分别为 125GPa和1.1TPa。 • 石墨烯的强度极限为42N/m2.。
得到单层或少层 较理想石墨烯，但难 实现大面积制备、能 耗高、不利转移
外延法
单层,生长连续、 均匀、大面积
碳化硅外延法
金属外延法
原理
SiC加热 蒸掉Si, C重构生 成石墨烯
衬底处理
1、清洗 2、浸泡 3、蚀刻 4、吹干
制备步骤
1.衬底升温除 水蒸气 2.750℃蒸Si 3.1300℃退火 重构得石墨烯
准备工作 UHV生长室 在晶格匹配 衬底粗糙度 的金属上高 <0.03um， 真空热解含 丙酮、乙醇 碳化合物 超声波洗涤
原理
制备步骤
金属放入UHV 生长室，在金 属衬底上热分 解乙烯,并高 温退火。
大面积石墨烯的制备—外延生长法
SiC外延单层石 墨烯AFM图
Cu外延石墨 烯STM图
原子分辨率 STM图
光子传感器
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池
可折叠的显示器
薄得像纸一样的iPhone概念手机
石墨烯的应用—储能材料
石墨烯具有极高的理论比表 面积，结构上独立存在。故 石墨烯片层两边均可以形成 双电层。且由于石墨烯片层 所特有的褶皱，有利于电解 液的扩散。
力学性质——比砖石还要硬
数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米 距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们 测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨 烯断裂。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装 袋的（厚度约为100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛 的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋， 那么它将承受大约两吨重的物品。打个比方说单层石墨烯的强 度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺 穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。
石墨烯的结构
• 完美的石墨烯是二维的 ，它只包括六边形结构( 等角六边形)。 • 石墨烯中的碳-碳键长约 为0.142nm.晶格间连接 十分牢固，形成了稳定 的六边形状。垂直于晶 面方向上的键在石墨烯 的导电过程中起到了很 大的作用。
石墨烯的结构
石墨烯的结构 • 如果有五边形和七边形存在，则 会构成石墨烯的缺陷。 • 少量的五角元胞细胞会使石墨烯 翘曲，12个五角形石墨烯会共同 形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形 可以用为碳纳米管 。
在二氧化硅/硅衬底上沉积300nm镍膜
镍膜/石 墨烯
衬底在1000°C下退火并预处理石英管式炉 气压200托+甲烷50ml/min+氩气500ml/min+900--1000℃ 氩气2000ml/min+氢气500ml/min降温冷却10 ℃/s
大面积石墨烯的制备—CVD法：
结 论 晶粒尺寸较小, 层数不均一且难以控制, 晶界处存 在较厚的石墨烯, Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大, 因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱
在室温下硅基处理器的运行速度达到 4-5GHz 后就很难在继续提高。
使用石墨烯作为基质生产出 的处理器能够达到1THz （即1000GHz）
超级计算机芯片-目前世上电阻率 最小的材料，电阻率仅为10-6 Ω•cm
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池
石墨烯的结构
• 石墨烯根据边缘碳链 的不同可以分为锯齿 型和扶手椅型。 • 锯齿型石墨烯条带通 常为金属型，而扶手 椅型石墨烯条带则可 能为金属型或半导体 型。
石墨烯的发现
• 石墨烯（Graphene）是2004年由英国曼 彻斯特大学物理学家安德烈· 海姆（Andre Geim）和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）发现的，他们使用一种被称 为机械微应力技术（micromechanical cleavage） 的简单方法。 • 正是这种简单方法制备出来的简单物质— —石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错 误认识——任何二维晶体不能在有限的温 度下稳定存在。
石墨烯的制备：
微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法
电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 法
石墨氧化还原法
电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法
化学气相沉积法
大面积石墨烯的制备：
大面积石墨烯薄膜的制备
外延生 长法
化学气 相沉积 法
大面积石墨烯的制备—外延生长法
锂电子电池
太阳能电池 超级电容器
储能材料
超级电容器是一种新型 储能装置，不仅绿色环 保，且功率密度、循环 寿命都比电池大得多
石墨烯的应用—超级电容器的制
作
压制 石墨烯： 成直径14 乙炔黑：聚四 毫米，厚度 氟乙烯=85:10： 0.3mm电极片 5混匀
两电极 超级电 容器
120℃下真 空干燥12 小时
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
姓名： 王金杰
学号：122702106
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
主要内容
• • • • • • 石墨烯的定义 石墨烯的结构 石墨烯的发现 石墨烯的制备 石墨烯的性能 石墨烯的应用
石墨烯材料的定义
• 石墨烯（Graphene）是 碳原子紧密堆积成单层二 维蜂窝状晶格结构的一种 碳质新材料，厚度只有 0.335纳米,仅为头发的20 万分之一，是构建其它维 数碳质材料（如零维富勒 烯、一维纳米碳管、三维 石墨）的基本单元，具有 极好的结晶性、力学性能 和电学质量。
（a）石墨烯超级电容器装置原理图 （b）产业级硬币状的超级电容器
超级电容 器的制作
在Ni膜上的SEM照片 不同层数的TEM照片
转移到二氧化硅/硅 上的光学照片
实验室制备方法
石墨经过强氧化剂氧化得到氧化石墨，在石墨层的六元环上形成 羟基、环氧基和羧基。一方面，含氧基团为亲水性，它们的引入 改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度变大，稳定性 增加，这一点在科研中，多被用来制备改性石墨烯。另一方面， 含氧基团的引入由于空间位阻效应使石墨层间距变大，减小了石 墨层间的团聚现象。
热学性能
• 石墨烯的室温热导率约为5300 W/m· K，高于碳纳米管和金刚 石，是室温下铜的热导率的10 倍多。 • 石墨烯的理论比表面积可达 2630m2/g。
石墨烯的应用
双层石墨烯可降低元器件电噪声
美国IBM公司T.J. 沃森研究 中心的科学家，最近攻克 了在利用石墨构建纳米电 路方面最令人困扰的难题， 即通过将两层石墨烯片叠 加，可以将元器件的电噪 声降低10倍，由此可以大 幅改善晶体管的性能，这 将有助于制造出比硅晶体 管速度快、体积小、能耗 低的石墨烯晶体管。
石墨烯的应用
微电子领域
微电子领域也具有巨大的应用潜 力。研究人员甚至将石墨烯看作 是硅的替代品，能用来生产未来 的超级计算机。
可在26GHz频率下运作可望使该种 材料超越硅的极限，达到100GHz 以上的速度跨入兆赫（terahertz ） 领域。
石墨烯的应用
太空电梯缆线、替代硅生产超级计算机、光子 传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池