graphene知识扫盲ABC
墨烯控制制备、结构表征与物性研究系列进展
1. 石墨烯（graphene）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，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可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。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，为量子电动力学现象的研究提供了理想的平台，具有重要的理论研究价值。因此，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。汤圆的制作过程
最近，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部成会明、任文才带领研究生在石墨烯的控制制备、结构表征与物性的研究方面取得了一系列新的进展，主要包括：（一） 可控制备出高质量石墨烯。根据层数不同，石墨烯的电子结构会发生显著变化，因此实现石墨烯层数的可控制备十分关键。与微机械剥离和外延生长方法相比，化学剥离是一种有望实现石墨烯低成本宏量制备的有效方法，但所制备的石墨烯大多为单层、双层和多层石墨烯的混合物。基于对化学剥离方法制备石墨烯过程的分析，他们提出了利用石墨原料的尺寸与结晶度不同来控制石墨烯层数的策略，宏量控制制备出单层、双层和三层占优的高质量石墨烯（图1，Carbon（47 ( 2009) 493），被审稿人认为是“石墨烯研究
玉兰花诗句和应用的重大进展”。为了进一步提高化学剥离方法制备的石墨烯的质量，他们根据氢电弧放电反应温度高、可实现快速加热及原位还原的特点，采用电弧加热膨胀解理石墨以去除含氧官能团和愈合结构缺陷，进而提高了石墨烯的质量。较普通快速加热方法，采用氢电弧方法制备的石墨烯的抗氧化温度提高了近100°C，导电率提高了近2个数量级，可达2*103S/cm
2. 提出了表征石墨烯结构的新方法。石墨烯表征方法的建立是对其结构进行快速有效表征、控制制备及应用的前提和基础。他们在反射率计算的基础上，引入色度学空间概念，提出了快速、准确、无损表征石墨烯层数的总色差方法，解释了只有在特定基底上石墨烯可见的原因，并利用该方法对基底和光源进行了优化，提出并实验证实了更利于石墨烯光学表征的基底和光源，提高了光学表征的精度，为石墨烯层数的快速准确表征、控制制备及物性研究奠定了基础（图2，ACS Nano 2 (2008) 1625-1633）。论文发表后被《ACS Nano》杂志选为该期“亮点”进行了重点介绍；同时也被《Nature China》选为来自中国大陆和香港的突出科研成果，Vicki Cleave博士撰文写道：“来自中国科学院的任文才、成会明及其合作者提出了一种快速、无损、可进行大面积石墨烯表征的光学方法，该工作有助于确定和制备适于应用的理想石墨烯样品”。此外，针对目前石墨烯拉曼光谱信号弱、难以对其精细结构进行表征的难题，他们还发明了一种增强的拉曼散射技术，不仅可提高石墨烯拉曼光谱的信号强度，而且可获得普通拉曼光谱不能得到的石墨烯的精细结构特征。
3. 开展了石墨烯的应用探索。在石墨烯宏量制备的基础上，他们开展了石墨烯在场发射体、超级电容
器、锂离子电池和透明导电膜等方面的应用探索。由于具有单原子厚度、优异的电学与力学特性以及丰富的边界结构等特征，故石墨烯是一种理想的场发射材料，但石墨烯宏量制备和组装技术的缺乏制约了其在场发射方面的应用。为了充分发挥石墨烯的结构和性能优势，他们发展了电泳沉积方法制备出表
面均匀致密且含有丰富边界突起的单层石墨烯薄膜，实现了薄膜与基体间的良好接触。研究表明，石墨烯薄膜具有与碳纳米管薄膜相比拟的场发射特性：低的开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀性，展示了石墨烯在平板显示等方面的应用前景（图3，Advanced Materials 21 (2009): DOI:
10.1002/adma.200802560, online）。审稿人认为“作者实验证实了石墨烯单原子厚度的边界可有效增
强电场、降低场发射开启电场，是一项重要的科学发现”。他们还结合石墨烯纸易于制备且具有良好力学性能的特点，正全力拓展其应用空间
4.碳的零维一维二维材料
碳，作为一种非常常见的元素，对有机物有着重要的意义。单质碳材料有零维，一维，二维和三维。
这里主要介绍一下富勒烯，碳纳米管和石墨烯这三种材料。
富勒烯(巴基球，足球烯，Fullerene，C60)：
作为零维材料，在1985年英国H. W. Kroto和美国R. E. Smalley等人在氦气流中以激光汽化蒸发石
墨实验中发现C60。由五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。
1985年文章C60 Buckminsterfullerene。
在碳纳米管发现之前，它是研究的热点，在生物和医学有着重要的意义。此外还有C78、C82、C84、
C90、C96等。
碳纳米管(carbon naotubes)
作为一维纳米材料，自1991年被S. Iijima发现以来一直是研究的热点。根据层数可分为单壁(single-wall carbon nanotubes)和多壁(multiwall carbon nanotubes)。根据手性可分为非手性(armchair和zigzag)和手
性(chiral)结构。中空结构，一般可认为是单层石墨卷曲而成。它在很多领域都有着广泛的应用和前景。正
如美国Alex Zettl 教授说，就应用前景对C60和碳纳米管进行全面的比较，C60可以用一页纸概括，而碳纳米管需要一本书来完成。推荐一本书Physical properties of carbon nanotubes(R.
好听的古筝曲石墨烯(单层石墨，graphene)
皮笔画顺序
作为二维材料，一般厚度方向为单原子层或双原子层碳原子。完美的石墨烯包括六角元胞(等角六边形)。2004年被英国A.K.Geim发现。石墨烯有众多优异的物理性质，在很多现象中有很多异常的行为
如整数量子霍尔效应，准粒子激发谱可用2+1维无质量的相对论Dirac方程描述等等。近几年研究的特别热。
5.1 石墨烯的结构
graphene目前中文文献中一般称石墨烯，是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。
石墨烯和石墨一样属于复式六角晶格，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键。剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。liuxing
5.2 石墨烯的性质和应用
梦故石墨烯的一个最重要的性质是电子运输特性，石墨烯表现出了异常的整数量子霍尔效应。其霍尔电导为量子电导的奇数倍，且可以在室温观测到[1-3]。这一现象可以用来证明相对论的量子力学的观点，
也就是说石墨烯的电子属于Dirac方程适用范围的电子。
石墨烯被认为在晶体管方面具有广泛的应用前景———它里面的电子可以不通过散射而进行亚微细距离移动。这种特性对于制造需要快速转换信号的晶体管非常重要。这种新膜片可以大幅提高计算机的速度。这一应用前景目前已经被证实。
曼彻斯特大学物理与天文学系的Kostya Novolov博士及Andre Geim教授在2007年3月份一期的《科学》杂志上报告他们的发现，证明石墨烯（graphene）能被雕刻成具有单个晶体管的微小电路，其尺寸比一个分子大不了多少。研究者说它们的晶体管尺寸愈小，它们的效能愈棒。根据摩尔定律，晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。但是目前这种速度已明显降低，问题在于，
若材料尺寸小于10纳米，它的稳定性就很差，半导体会氧化。石墨烯是当前物理与材料科学中最热门的主题，曼彻斯特大学研究团队证明，用单一一片石墨烯刻画出的纳米大小的晶体管依然具备高度地稳定性与导电性——甚至在切成1纳米宽时亦然。哈佛大学教授Bob Westervelt评论道，“石墨烯是一种令人兴奋的新材料，具有非同寻常的属性。未来会十分有趣。”
此外，石墨烯还能加快新药研发的速度；帮助研究者用电子显微镜分析分子时获得更加清晰的分子结构图像，用作精细的筛子，分离气体的不同组成成分等。
5.3 石墨烯的发现及研究进展
石墨烯是2004年由曼彻斯特大学Kostya Novolov和Andre Geim小组发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——热力学涨落不允许任何二维晶体在有限的温度下存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
目前对石墨烯的研究可分为两大方向：基础理论研究和应用方面的研究。在基础研究方面有些报道称石墨烯的稳定存在可以归因于微结构中的结构起伏，但这种认识仍旧确乏证据。而使石墨烯有可能被应用到下一代晶体管的特性——量子霍尔效应已经被Kim小组证实。还有些研究集中于对石墨烯的鉴别研究上，在这方面主要有直观的AFM研究和无损伤的拉曼光谱研究，还有一种方法就是利用理论研究中非传统的量子霍尔效应，从而区分单层石墨烯（monolayer graphene）和少数层的石墨烯（bilaye r graphene），但这种方法不是可行和有效率的方法。另有一种可行方法就是所谓的“肉眼观察法”鉴定石墨烯层，但这种方法又因为实验室条件不同而难以定量的从颜色上区分确定石墨烯，只能凭借有经验的试验者。
6.Graphene是由碳原子构成的二维晶体，碳原子排列与石墨的单原子层一样(蜂窝状--英语：'honeycomb')。制备方法
目前有三种方法制备石墨烯，一种是加热SiC的方法[7], 另一种是轻微摩擦法或撕胶带法 [8].第三种是化学分散法.
重要性质
电子输运
在发现graphene以前，大多数（如果不是所有的话）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。这些可能归结于graphene在纳米级别上的微观扭曲。[Graphene还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=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graphene里遵守相对论量子力学，没有静质量(massless electron)”。更重要的是，目前尚未有人观察到graphene中的分数量子霍尔效应，尽管磁场最高加到了30特斯拉。2007年，先后三篇文章声称在graphene的p-n或p-n-p结中观察到了分数量子霍尔行为。物理理论家已经解释了这一现象。
拐弯抹角的意思氧化石墨烯(graphene oxide)
通过氧化化工处理石墨烯, 然后使他们漂浮在水中, 石墨烯剥落形成单层。这些层状材料有被测量到具有32 GPa的拉伸模数
7.目录
1 命名
2 发现.
3 石墨烯简介
4 制备方法
5 重要性质5.1 电子输运5.2 氧化石墨烯(graphene oxide)
6 参考文献
命名Graphene(石墨烯)是其英文名，该命名与graphite（石墨）有关，其中文名目前尚未定下。有人使用“单层石墨”作为称呼。[2] 目前，有许多海内外华人科学家从事这方面的研究。我们暂且将它称为(石墨烯)。[Graphene(石墨烯)在2004年被曼彻斯特大学的研究组发现。
石墨烯简介完美的石墨烯(graphene)是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形); 如果有五角元胞和七角元胞存在，那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲入形状; 12个五角元胞的会形成富勒烯[ [ fullerene ] ] 。
肌酐低
碳纳米管nanotube也被认为是卷成圆桶的石墨烯graphene; 另外石墨烯 Graphenes还被做成弹道输运晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月, 佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology) 研究员宣布, 他们成功地制造了graphene平面场效应晶体管并观测到了量子干涉效应。并基于此研究出根据石墨烯为基础的电路.
制备方法目前有三种方法制备石墨烯，一种是加热SiC的方法, 另一种是轻微摩擦法或撕胶带法.第三种是化学分散法.
电子输运
在发现graphene以前，大多数（如果不是所有的话）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。这些可能归结于graphene在纳米级别上的微观扭曲。
