学校代码10722学号1007212119分类号密级公开本科毕业设计（论文）题目: 单双层石墨烯的性质与研究Single layer graphene properties and research作者姓名:马龙专业名称: 物理学学科门类: 理学指导教师: 王党朝提交论文日期:二○一二年五月成绩等级评定:单双层石墨烯的性质与研究摘要石墨烯是碳原子以sp2杂化形成的六角晶格结构的二维材料，具有卓越的力学、热学、电学和光学等性质，有望应用在高迁移率晶体管、高灵敏度传感器、触摸面板、蓄电池等多种新一代器件等领域。
由于不同层数的石墨烯具有截然不同的性质，又以单层和双层石墨烯的差别最大，本文对此阐述和比较，希望能够推进石墨烯的应用化进程。
关键词：石墨烯，单层石墨烯，双层石墨烯AbstractIn 2004，d-will graphite surfaces，stir the whole world. Now already in the past eight years，the research of graphite surfaces heat still don't reduce. Graphite surfaces is made from carbon atoms two-dimensional crystal，general thickness direction for single or double atomic layer atomic layer carbon atoms are arranged.，the more concrete is Graphene (graphite surfaces) carbon atoms heterozygous form to sp2 hex lattice structure of 2 d materials. Since the discovery，has it in the mechanical，thermal，electricity，etc caused the great wave of research，in many aspects have made amazing results. Such as high-speed transistors，high sensitivity sensor，laser，touch face plate，storage battery and efficient battery and so on the many kinds of Yang can a new generation of devices core materials. This paper reviews the miao-yi graphite surfaces in the found and development，this paper discusses the nature of the single layer graphite surfaces，the prospect of graphite surfaces have may bring us more bright future.Keywords: graphene; the nature of the single graphite surfaces; double graphite surfaces of nature咸阳师范学院2012届毕业生论文（设计）目录摘要 (1)ABSTRACT (1)目录 (2)前言 (3)1.GRAPHENE (3)1.1石墨烯的结构 (3)2.石墨烯的性质、研究与制备 (5)2.1单层石墨烯的性质 (5)2.2双层石墨烯的性质 (11)2.3单双层石墨烯的性质比较 (14)2.4 单双层石墨烯的制备 (19)3.墨烯的应用与前景 (21)3.1 石墨烯在材料方面的应用 (21)结论 (24)结束语 (24)参考文献 (25)致谢 (27)3单双层石墨烯的性质与研究前言关于石墨烯存在的可能性，科学界一直执有争论。
早在1934年，Peierls就提出二维的晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在常温下会迅速分解或拆解。
1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理论，指出较大的波长涨落会使长程有序的二维晶格结构遭受破坏。
因此，二维石墨烯晶体只是作为研究碳基材料的理论模型，一直未受到广泛关注。
直到2004年，来自英国Manchester 大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov 首次成功分离出稳定的单层石墨烯，引起了科学界的浓厚兴趣。
由于独特的二维结构，石墨烯蕴含了丰富而新奇的力学、热学、光学和电学性质，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点之一，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。
目前，科学界普遍看好的观点是石墨烯很可能会替代硅成为未来信息学的主流材料。
一、单层和双层石墨烯晶格结构1.1 单层石墨烯的晶格结构石墨烯是碳原子以sp2杂化形成六角蜂窝状晶格结构的平面材料，如图1所示。
石墨烯仅有一个碳原子约3.5Å的厚度，29万片的厚度，也只有一根头发丝那么厚。
由碳原子以sp2杂化形成的平面六角晶格结构的石墨烯，不仅是研究其他维度碳基材料的理论计算和推导的基础，而且也是构成其他低维((如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)碳纳米异构体的母材料。
将石墨烯弯曲成封闭的笼，可以形成零维的富勒烯；可以卷曲筒，密封形成一维圆柱形的碳纳米管，可以重叠堆砌形成片层结构形成石墨晶体，可以裁剪成石墨烯纳米带，如图2所示。
图1 石墨烯的晶格结构示意图。
咸阳师范学院2012届毕业生论文（设计）5图2 石墨烯及碳基材料晶格结构示意图。
理想的石墨烯是平面六角型晶格结构，也可以说是石墨的单层结构，每个碳原子与最近的三个碳原子以sp 2杂化形成三个σ键。
由于σ键是自然界最为坚固的化学键，因此在平面内石墨烯具有最稳定和坚固的特征。
碳原子中剩余p z 轨道形成π键，π键电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。
碳原子间相互围成的六角形平面蜂窝型结构，因而导致了在同一平面上只有两种空间位置相异的原子，故而我石墨烯的晶胞是含有两种不等价的碳原子复式结构，如图3所示。
图3 石墨烯晶格结构中的不等价的A 原子和B 原子示意图。
当石墨烯的晶格中含有五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲，富勒球可以单双层石墨烯的性质与研究便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的，实际中的石墨烯并不能有如此完美的晶形。
2 石墨烯的性质、研究与制备2.1 单层石墨烯的性质2.1.1 单层石墨烯的简述自然界不存在自由状态的石墨烯片，在一般的自由状态下，它会卷曲成富勒烯、碳纳米管或堆叠成体相石墨。
自石墨的层状结构被确定以后。
近20多年来，零维的富勒烯，一维的碳纳米管(特别是单壁碳米管)的相继发现促使科学家们考虑：二维的理想石墨烯片层能自由存在吗?一般地说，随着物质厚度的减小，汽化温度也急剧减小，当厚度只有几十个分子层的时候，会变得不稳定。
同时根据Mer．IIlin-wanger的理论，长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。
因此过去科学家们一直认为严格的二维晶体具有热力学不稳定性，而且不可能存在【2】。
1988年，日本东北大学京谷隆教授等在用蒙脱土做模板制备高度定向石墨的过程中，以丙烯腈为碳源，在蒙脱土二维层间得到了石墨烯片层，不过这种片层在脱除模板后不能单独存在，很快会形成高度取向的体相石墨[3]。
2004年，Novoselov等第一次用机械剥离法(Mechanical cleavage)获得单层和2层一3层石墨烯片层l 6(图4)，而且可在外界环境中稳定地存在。
2007年，Meyer等人报道单层石墨烯片层可以在真空中或空气中自南地附着在微型金支架上，这些片层只有一个碳原子层厚度(0.35 nm)，这一厚度仅为头发的20万分之一，但是它们却表现长程的晶序。
TEM研究也表明，这些悬浮的石墨烯片层(图5)并不完全平整，它们表现出物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现几度的起伏。
可能正是这些三维褶皱巧妙地促使二维晶体结构稳定存在。
换言之，将二维膜放入三维空间会有一种产生褶皱的趋势，二维结构可以存在但是会产生一定的起伏。
Fasolino等通过模拟发现，由于热起伏，褶皱会自发地产生而且能达到的最大厚度为0.8 nm，这与实验中的发现相一致。
这种不同寻常的现象可能是由于碳键的多样性导致的。
石墨烯片层上存在大量的悬键使得它处于动力学不稳定的状态，可能正是这样一种褶皱的存在，在石墨烯边缘的悬键可与其他的碳原子相结合，使其总体的能量得以降低。
不过，对于褶皱的形成也有不同的观点。
Ishigallli等咸阳师范学院2012届毕业生论文（设计）人首次利用STM展示了基于石墨烯制作的电子元件的原子结构和纳米级上的微观形貌(例如附着在绝缘的二氧化硅基质上的石墨烯片层)。
原子级分辨率的STM 图片(6)显示石墨烯的存在形态受二氧化硅衬底形态制约，部分石墨烯片层与二氧化硅衬底作用产生褶皱，换言之，石墨烯并未自发地产生褶皱。
基于这一点，科学家们正在考虑利用控制衬底材料的形态来控制石墨烯的褶皱，研究褶皱对电子传导的影响[5]。
自由态的石墨烯在室温下于真空或空气中可稳定存在，这一成功震惊了科学界，从而推翻了历来被公认的“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的这一论述。
在相同条件下，其他任何己知材料都会氧化或分解，甚至在相当于其单层厚度十倍时就变得不稳定。
自由态的石墨烯是目前世界上人工制得的最薄物质，也是第一个真正的二维富勒烯。
图4石墨烯片层的AFMI图片7单双层石墨烯的性质与研究图5悬浮的石墨烯片层图6硅表面的石墨烯片层2.1.2 单层石墨烯的电子传导性前面讲到石墨烯表现出很多奇特的特性，一些先驱性的文章发表之后，单层或者几层石墨烯的电子传导研究成为凝聚态物理研究的热点。
图7所示为石墨烯的能带结构和布里渊区，价带和导带在费米能级的六个顶点上相交，从这个意义上说，石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性[11]。
前已提及，在单层石墨烯中，每个碳原子都贡献出一个未成键的电子，这些电子可以在晶体中自由移动，赋予石墨烯非常好的导电性。
石墨烯中电子的典型传导速率为8×105m/s，这虽然比光速慢很多，但是却比一般半导体中的电子传导速度大得多20。
石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新的电子传导现象的产生，例如不规咸阳师范学院2012届毕业生论文（设计）则量子霍尔效应。