石墨烯介绍讲解.pptx

石墨烯介绍讲解.pptx

《石墨烯介绍讲解.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石墨烯介绍讲解.pptx（72页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,第一篇电子新技术&新产品,LED石墨烯开关电源,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,新闻1全球首款量产石墨烯手机中国首发画面高清电池寿命更长2015-03-0309:

03:

09全球首批量产石墨烯手机在重庆首发。

这款名为影驰“SETTLER（开拓者）”的石墨烯手机，核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院，和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发，采用最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料.,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,新闻1该机采用一块5.5英寸AUO原厂石墨烯触控屏，分辨率为1920X1080像素的FHD级别，透光率高达97.7%，显示效果非常出众。

核心方面内置一颗64位骁龙四核处理器，以及2GBRAM+16GBROM的内存组合，搭载Android4.4系统，整机运行较为流畅。

此外在该机背部还设有一枚800万像素后置镜头，包括LED补光灯，及其对应的500万像素前置镜头。

同时支持LTE4G网络,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,新闻2,第三代石墨烯手机问世石墨烯或迎产业化浪潮（附股）http:

/15:

18:

44来源：

中国资本证券网据网易新闻21日报道，重庆墨希科技有限公司透露，其即将面世的第三代石墨烯手机柔性手机设计方案出炉，预计今年底完成样机研制。

石墨烯在柔性到点材料领域再获新进展，产业链有望在未来迎来井喷式增长有机构认为，石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，应用前景极大。

数据显示，当前石墨烯加工成本已降至2011年的十分之一，优良率和一致性也有了很大提升，下游应用大规模放量在即。

随着石墨烯手机、石墨烯电池等应用走向成熟，石墨烯大规模产业化值得期待。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,新闻3,全球首款石墨烯柔性屏手机亮相（图）http:

/际会展中心，参展商展示可以弯曲的石墨烯柔性手机,手机用上石墨烯柔性触控屏，可以弯曲戴在手腕上，,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯,19,7/14/20,ChongQingJiaoTongUniversity,第二章石墨烯,概述石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。

自2004年石墨烯（Graphene）被以机械剥离的方法制备并被揭示出独特的物理特性以来,世界上物理、化学、材料、电子以及工程领域的科学家都对其投注了巨大的研究兴趣.英国曼彻斯特大学的两位科学家科斯提亚诺沃谢夫和安德烈盖姆因为首先发现石墨烯获得2010年度的诺贝尔物理学奖。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,特点第一：

石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：

石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度；石墨烯市场售价大约5000元/克，比黄金贵15倍，广泛用于军事、电子工业领域。

石墨烯在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯是世上已知的最薄的材料石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，只有0.34纳米厚，十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径，人们用肉眼是看不见它的。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity石墨烯的来源,常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成较薄的石墨片。

当把石墨片剥成单层之后，形成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是碳的二维结构，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。

石墨烯的应用范围广阔。

根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。

根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,第一节石墨烯材料的简介,1、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。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯具有突出的导热性能（5300Wm-1K-1）和力学性能（理论弹性模量1060GPa）,以及室温下较高的电,子迁移率（15000cm2V-1s-1），世界电阻率最小的材料。

此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质,因而备受关注。

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。

霍尔效应应使用左手定则判断。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,2、发现Graphene（石墨烯）是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚诺沃谢夫（KostyaNovoselov）和安德烈盖姆（AndreGeim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanicalcleavage）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任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。

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。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯（graphene）后才得以改变。

他们采用一种简单的“微机械力分裂法”（microfolitation）制备了一种单原子厚度的碳膜,这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定。

这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,康斯坦丁诺沃肖洛夫,安德烈海姆,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。

这种神奇材料的诞生使安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。

海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。

这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。

与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。

此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。

而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,2004首次发现石墨烯,2005证实石墨烯中的准粒子为无质量的狄拉克费米子,2009CVD法取得突破，掀起,该法制备石,2010,频率为,墨烯的热潮。

墨烯FET,2014.1,IBM发布截止中国首条,石墨烯基,230GHz的石超级电容,器生产线投产,2015石墨烯国家标准制定工作启动,3、发展历程,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,4、石墨烯材料的性质,

（1）力学性质比钻石还要硬石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。

在试验过程中，他们选取了一些之间在1020微米的石墨烯微粒作为研究对象。

研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在11.5微米之间。

之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,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，施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。

如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约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，那么它将能承受大约两吨重的物品。

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。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的科学杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。

ChangguLee,etal.GrapheneMeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayer,实验证明,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,

（2）出色的电学性质电子运输碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的电子，这些电子与平面成垂直的方向可形成轨道，电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。

所谓电子就是用P轨道电子参与成键的电子，又分小键和离域大键。

看到单独碳碳双键就是小键，参与成键的就是电子了。

一般看到碳碳单双键交替排列的就是大键，参与成键的也是电子。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,（3）导电性,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。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯有相当的不透明度：

可吸收大约2.3%的可见光。

而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,（3）导电性,其导电性能比铜还好几倍；坚硬比钢铁大10倍而且极轻，由此可见可用于飞机制造来减少重量与避弹衣制造。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,Dreams：

对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。

美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发。

实现人类梦想,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,未来的“太空天梯”,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：

石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。

这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。

科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

（4）电子的相互作用,ChongQingJiaoTongUniversity7/14/2019,石墨烯的蜂窝晶格,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,其它特殊性质石墨烯具有明显的二维电子特性。

在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更好可控渗透性离子导电体各向异性超电容性,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,10m,1nm,100nm,1km,100km,10000km,1mm,尺寸,两极性晶体管,透明导电薄膜,超级电容器电极材料,10cm10m钓鱼竿/球拍等器材,大功率太赫激光元器件,超高灵敏度传感器,第二节石墨烯的应用接触面板用,锂电池等负极材料,柔性晶体管,有机太阳能电池用材料,太空电梯,单电子晶体管,显示器及太阳能电池窗口电极汽车/飞机的构造体等储氢材料,输电线路,7/14/2019制造集成电路，但制备问题较多，距离应用非常遥远。

CVD法日趋成熟，有望在510年实现应用,ChongQingJiaoTongUniversity,不同的应用形式,石墨烯薄膜（单层、多层）,石墨烯微片（十层以下）,单晶薄膜,功能化,非功能化,多晶薄膜,用于导电、散热,（纯石墨烯）等领域,拥有含氧基团，应用于药物、监测、催化剂等特殊领域,方向较为明确的几大应用领域,石墨烯,7/14/2019电子材料领域重点领域透明电极（太阳能电池）电池负极材料替代硅的芯片材料柔性屏幕（可穿戴设备）,散热材料领域解决手机、计算机等设备的散热问题，进一步提升性能,ChongQingJiaoTongUniversity环保监测领域功能化石墨烯及石墨烯复合材料，在污染物吸附、过滤方面表现优异,生物医学领域石墨烯在细胞成像、干细胞工程等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,广泛应用,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,决定性能的关键因素,电极材料电解液,碳材料（导电性、稳定性好、容量低）过度金属氧化物（高容量、高电阻）导电聚合物（循环性能有限）,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,1、石墨烯在各领域案例分析,在电容式触摸屏中替代ITO材料，或者在电阻式触摸屏中涂在金属表面。

（1）触摸屏,石墨烯与现有手机触摸屏材料氧化铟锡相比，具有低成本、高性能、更柔韧、更环保的特色。

以当前价格相比，预计要比现有触摸屏手机成本降低30%左右。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,工程人员正在演示利用石墨烯制作的手机触摸屏的性能：

速度更快，更流畅。

韩国成均馆大学和三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。

具有优异的柔韧性，使其成为柔性显示屏、柔性触摸屏的不二之选。

具有优异的强度和柔韧性，比普通触摸屏更耐摔,ChongQingJiaoTongUniversity7/14/2019,薄得像纸一样的iPhone概念手机,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,从左到右：

在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域；组装好的石墨烯触摸屏面板；接到电脑上使用的石墨烯触摸屏,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,2锂离子电池,石墨烯直接作为锂离子电池负极石墨烯/SnO2复合材料作为锂离子电池负极石墨烯/Si复合材料作为锂离子电池负极石墨烯与Fe2O3、TiO2、Co3O4等复合作为锂离子电池负极,石墨烯在锂离子正极中的应用石墨烯与磷酸铁锂复合石墨烯与磷酸钒锂复合,石墨烯在其他方面的应用作为动力锂电池的导电添加剂,石墨烯在锂离子负极中的应用,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,3超级电容器,电容器的研究是从30年代开始的,随着电子工业的发展,先后经历了电解电容器、瓷介电容器、有机薄膜电容器、铝电解电容器钮电解电容器和双电层电容器的发展.其中双电层电容器,又叫电化学电容器,是一种相对新型的电容器,它的出现使得电容器的上限容量骤然跃升了34个数量级,达到了法拉第级（F）的大容量,同时具备高比功率、长循环寿命、充电时间短、绿色环保等优势,正缘于此,它享有“超级电容器”之称.,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,超级电容器,石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。

由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,基于此石墨烯研制的超级电容器，在水系和有机电解液中表现出优异的功率特性和循环寿命，在功率密度为1kW/kg的时候，能量密度高达80Wh/kg，远高于目前商业化活性炭基超级电容器；并且当功率密度达到20kW/kg时，能量密度仍能保持在33Wh/kg。

结果表明，该石墨烯基超级电容器在高功率/高能量密度的动力储能器件上具有广阔的应用前景。

片状结构的石墨烯电极材料与电解液的界面电阻更小，2000次充放电循环之后比电容量能保持在95%以上。

石墨烯超级电容器可以储存更多能量且比普通电池更高效。

寿命更长、更轻、更灵活、更易维护，设想一下你的电脑或者手机几个月不充电，而且不发热。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,4水泥和混凝土,目前在传统混凝土组分中加入高效减水剂、活性矿物粉料以及掺入高性能化学纤维、钢纤维等，其核心是在提高混凝土抗压强度的同时提高混凝土的耐折、抗冲击强度,提高混凝土的耐久性,延长使用寿命。

石墨烯与水泥基体的质量比为（0.00010.5）：

1制成的石墨烯/水泥符合材料可以改善水泥的强度、耐折度、耐久性、使用寿命、抗腐蚀性、凝结时间等性能，石墨烯/水泥符合材料具有特殊的力学性能和电学性能，使水泥的应用领域更进一步扩大，并可适用于多功能建筑材料领域。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,5电缆,超强导电能力（电阻比银更低）电子的运动速度能达到光速的1/300优异的热导率（达到5300WmK）超高弹性模量（约1000GPa）超高强度（约100GPa）超高比表面积（达到2675m2/g）低密度（2.25gcm2）很强的抗气体渗透能力可分散在许多聚合物和常规溶剂中,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,6涂料,石墨烯涂料网状结构具备热胀冷缩性能，这样使得涂料更加牢固，同时对侵蚀结构砂浆的大气因素起到屏蔽作用，从而使得涂料耐候性大大提高；优良的热导体，节能降耗。

涂料添加石墨烯之后能形成一张包裹微珠的结构纳米网，能够散射85%的紫外线和99%的红外线，对涂料和墙体都有保护功能；,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,7太阳能光伏,在光伏玻璃中的应用石墨烯直接添加到玻璃内部，增加玻璃强度，降低玻璃厚度；石墨烯膜镀到玻璃表面增加玻璃透光性。

添加到EVA胶膜中增加透光、防止氧化,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,石墨烯膜镀到电池片上能够防止电池片氧化。

将石墨烯粉末加入到银浆用来制作主栅、细栅，减小电阻。

镀了石墨烯的电缆,降低能耗增加光电,转换率。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,其它应用,pH传感器气体分子传感器储氧材料药物控制释放离子筛作为电极材料,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,8.应用前景,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、新一代太阳能电池等领域。

瑞典和美国的科学家使用神奇的石墨烯材料的发光面板，总有一天也许会让基本的灯泡变成多余的。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,8.应用前景,

（1）代替硅生产超级计算机科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。

石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。

高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。

由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。

这使它在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。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,超级计算机芯片-目前世上电阻率最小的材料，电阻率仅为10-6cm,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,8.应用前景,

（2）光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。

去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。

因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。

7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,美科学家制出4寸石墨烯晶圆,7/14/2019,ChongQingJiaoTongUniversity,8.应用前景,（3）减少噪音美国IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯（Graphene）”，试制