石墨烯纳米带的研究进展_李婧
图1 GNRs的TEM照片[4]
基金项目：河北省高校重点学科建设项目资助；河北省高等学校科学技术研究青年基金(No.Q2012111)；河北省自(NO.E2013210011)；河北省大学生创新创业训练计划项目；河北省高校重点学科建设项目资助。
人员深入研究GNRs 的高效制备方法开启了一扇大门。James 小组认为，他们制备的GNRs 可用于柔韧触摸屏、太阳能电池板、以及制成轻薄导电纤维，以取代笨重的铜线，进而用于航空航天领域。本文对GNRs 的典型制备方法进行了综述，并比较各种方法的优劣，最后对GNRs 的应用进行了介绍，对其未来进行了展望。
1 GNRs 的制备方法
清楚的看到剥离的GNRs 一端连接导电电极，一端是脱离的CNTs 内心。并且产生的GNRs 随着电压的增加，电导率也增加，这为它成为电学材料提供了很好的应用前景。这种方法生成的GNRs 宽度分布均匀(45nm 左右)，含杂质量低，如果有效实现批量快速生产，有望实现高质量GNRs 的宏量制备。
1.1.2混酸切割CNTs 法
CNTs 具有与石墨相同的晶体结构，CNTs 的发现远早于石墨烯和
GNRs，并且CNTs 非合成技术现在已经成熟。Zhang 等人提出，切割垂直排列的CNTs 获得的GNRs 有许多优异的电学性质，可用于超级电容器。纵向切割和压制管状CNTs 制成GNRs，这种方法通过控制CNTs 的长度和直径进而控制所需GNRs 的尺寸，从而制备出所需的各种规格GNRs，这种方法操作简单方便，得到的GNRs 边缘光滑。James [5]小组用高锰酸钾和硫酸混合处理CNTs，沿着一个轴心将纳米管打开可以得到宽度在100～500nm 的GNRs，如图3所示。这种方法虽然可以制备大量的GNRs，但是得到的GNRs 不是半导体，应用上有一定限制。
1.1.3钾气裂解CNTs 法
催化法是利用化学沉积或磁控溅射把催化的纳米颗粒分散到CNTs 的表面上，在某些特定的气体（如H 2）氛围下进行加热。在纳米粒子的催化下，气体分子会和CNTs 表面的碳原子反应而使得CNTs 裂解产生GNRs。这种方法相对比较简单，但是会影响产物的性质。后来，Kosynkin 等人用气态钾来做催化剂，在250℃真空环境下催化裂解CNTs，得到了边缘连接着钾的GNRs，用乙醇质子化处理后可以得到质量有所提高的边缘钝化的GNRs。
图2 电解CNTs 制备石墨烯过程示意图
[6]
图3 CNTs 逐级拉开形成GNRs 的示意图
[4]
1.1 切割CNTs 法
1.1.1电极切割CNTs 法
在非常高的电偏压下，碳纳米管(CNTs)会显示出超塑[5]。Kim K [6]等人提出了用电流诱发CNTs 裂解制备GNRs 的方法。在真空下，利用电极的移动，促使CNTs 外层裂解。如图2所示，在电极的移动下，通过对电偏压的控制使CNTs 外层被裂解，移除的内心成为一个新的CNTs，剩下的GNRs 完全悬浮在真空中。在图2
中，我们可以
1.1.4等离子体刻蚀CNTs 法
等离子体刻蚀法是将CNTs 嵌在硅衬底上，上层覆盖约300nm 左右的基丙烯酸甲酯(PMMA)作为刻蚀掩膜，如图4所示。用Ar 等离子体刻蚀，因为暴露在PMMA 外的CNTs 比内部区域反应快，因此就会产生单、双和多层GNRs，这取决于等离子体的处理条件。经过后期的丙酮热蒸汽去除PMMA，在300℃下煅烧10min 除掉剩余的聚合物，可以产生宽度在10～20nm 的
GNRs。这种方法制得的石墨烯的层数和宽度可以通过选择不同层数的CNTs 和控制刻蚀时间来调控。
1.2刻蚀石墨烯法
1.2.1等离子体刻蚀石墨烯法
纳米带刻蚀法(NWL)用氧等离子体刻蚀石墨烯，以纳米线为掩膜制备GNRs。如图5所示，将石墨烯沉积在Si 基板上，在石墨烯上排列出纳米线阵列，用氧等离子体进行刻蚀，经过声波降解处理得到GNRs。如果加长氧等
离子体刻蚀时间再经过声波处理，则可以得到更窄的GNRs。Bai 等人已经利用二氧化硅纳米线作为掩膜成功制备出GNRs。这种方法制得的GNRs 具有较小的宽度，但是产率不高，无法大规模生产。
1.2.2 半月板掩模光刻石墨烯法
因刻蚀方法不同，GNRs 也会呈现出不同的性质。其中带隙变化取决于GNR 的宽度和边缘配置。Vera 等人提出了半月板掩膜光刻法制备非常窄的GNRs(约10nm)。该方法自顶向下刻
蚀石墨烯，不需要要求高分辨率光刻工具，在光刻技术模式的基础之上开发目标材料。过程示意图如图6所示，这种方法制得的GNRs 高纵比大于2000，具有很高的应用价值。
1.2.3 二维胶体晶体刻蚀石墨烯法
二维胶体晶体刻蚀又称纳米球刻蚀,是中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室表面物理国家重点实验室白雪冬研究组的王文龙副研究员等人基于二维胶体晶体刻蚀技术，开发出的一种可控制备超窄GNRs 的新方法[10]。实验证明，在胶体微球空隙中，氧等离子体束流具有局域各向异性的特点，利用这个特点，他们制得了准一维高度各向异性超窄纳米带。利用该方法还在基
片上特定区域制备出GNRs 互连结构，这些结构拥有不同几何构型，此方法具
有极大的可调性与较好的可控性，高产出、成本低廉，为未来大批量制备石墨烯纳米带提供了可能。
1.3 膨胀石墨带减薄法
新加坡南阳理工大学和国立大学的科研人员合作[11]研究出了一种简单有效的制备GNRs 的方法。如图7所示，先在硅衬底上覆盖约300nm 的氧化硅，然后再把用石墨烯制成的薄的平行石墨带阵列在高温炉中退火，从而除掉顶层处的石墨烯。当硅衬底上留下单层或者
图4 等离子体刻蚀CNTs 法制备GNRs 的示意图[7]
图5 纳米线刻蚀法制备GNRs 示意图
[8]
几层平行GNRs 时便可以结束反应。但是这种方法制得的GNRs 往往存在很多的边缘缺陷，不利于直接应用。
1.4有机合成法
有机合成法是制备GNRs 的有效方
较和基体结合较牢。这种方法可以制备宽度很窄的单层纳米带，但是难以批量生产。
1.5化学气相沉积法
化学气相沉积(CVD)法是近年来
图6 光刻蚀法制备纳米带示意图[9]
图7 膨胀石墨带减薄制备石墨烯带[11]
等碳氢化合物，碳源的分解温度、分解产物和分解速率等因素很大程度上决定了GNRs 的生长温度。现在所用的生长基体一般是铜[13-14]、镍等金属，不同金属的晶体取向和晶体类型决定了GNRs 的生长机制和生长质量。
2 GNRs 的应用领域
石墨烯基材料最引人瞩目。石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料，而学者认为石墨烯基纳米结构在未来的
电子纳米器件中是最有希望替代硅基纳米结构的。人们已经尝试将石墨烯基
材料用于室温场效应管、自旋电子及单电子器件、储能与超灵敏传感器、电极材料(包括透明电极)、有机太阳能电池的受体材料和阳极材料、非线性光学
材料、场发射材料、复合功能材料以及
法，Cai 等人以二溴联二蒽为原料，在Au 晶面上生长GNRs。在实验中，第一步单体间脱溴形成聚蒽；第二步中聚蒽脱氢环化形成带状结构，得到的单层的、宽度小于10nm 的GNRs。Bjork 等人[12]研究得出脱氢环化有两种形式，分为二聚体间脱氢环化和单体间脱氢环化。其中单体间脱氢环化因是放热反应，生成的GNRs 与另一种形式生成的相比
发展起来的制备石墨烯带的一种新方法,因产量高而逐渐成为制备高质量石墨烯带的主要方法。CVD 法是利用甲烷等含碳化合物作为碳源,使其在基体表面通过高温分解而生长出石墨烯带。主要分为渗碳析碳和表面生长两种生长机制。石墨烯带的CVD 生长主要受到生长条件、碳源和生长基体的控制。目前制备GNRs 的主要碳源是甲烷、乙烯
药物载体等方面，展示了其广阔的应用前景。研究人员分别用电子[15]、离子束[16-17]和原子力显微镜(AFM)针尖刻蚀的方法，制备出多种宽度的石墨烯带或纳米缝隙(Nanogap)，并用制出的石墨烯带做成了晶体管等器件。Lin 等[18]用2in(5.08cm)大小的石墨烯基材料制备了晶体管，截止频率提高到了
100GHz，晶体管的图像和截面示意
图8 Lin 等制备的晶体管图像和截面示意图[18]
图如图8所示。James 小组认为，他们制备的纳米带可用于太阳能电池板、轻薄导电纤维、还可以制成柔韧触摸屏，可用于航空航天领域。GNRs 因其特殊的结构和性质而具有十分广阔的应用前景，如可以制成场效应晶体管、存储设备、传感器、光电器件等[19]。下面具体介绍几种GNRs 的应用方向。
2.1电学领域
2.1.1代替硅生产电子产品
GNRs 有很多不可代替的优点，比如具有透光性(因为极薄)、超强导电性、超高强度，这让它成为了制备超高速电子器件和可弯曲显示设备的理想材料。石墨烯如今已经出现在存储器、新型晶体管和其他器件的原型样品中。国际商业机器公司(IBM)已经研制出了运行速度最快的石墨烯基材料晶体管[20]。GNRs 运送电子的速度比硅快十几倍，因此用GNRs 制成的晶体管工作的更快、更省电。石墨烯是零能隙的，而GNRs 这种准一维碳基纳米材料，具有能隙，让石墨烯产生能隙是晶体管应用的基础，并且因为其特殊的边缘限域效应而具有比石墨烯更灵活可调的性质和更大的应用价值。高频电路是现代电子工业的发展先锋，比如手机，随着更多信息被填充在信号中，所需要的频率也越来越高。而在承受高频电路上GNRs 是非常合适的材料。因此GNRs 非常适合作为硅的代替品来生产更高性能的电子产品。
2.1.2 制备太阳能电池
GNRs 可以看作是从单层石墨烯片上切割下来的一种带状材料,它有石墨烯所不具备的特殊性质，而这些性质取决于GNRs 的边缘未成键碳原子的排列。太阳能电池中窗口电极是一个重要部分，而制造电极的材料是铟锡氧化物半导体透明薄膜，铟的含量很少，GNRs 很有希望做ITO
的代替品。美国
南加州大学的研究人员开发出了一种柔韧性碳原子薄膜透明材料，并用它制备有机太阳能电池。石墨烯基材料是透明的，用它制备的电路板比其他材料具有更加优良的透光性。将GNRs 分散到染料敏化太阳能电池的电解液中可以提高其能量转化效率。
2.1.3制备半导体材料
石墨稀的特殊电子输运性质使得它在纳米电子器件领域中有着广泛的应用前景。但是，二维的石墨烯是零能隙的,并不是我们真正想要获得的具有能隙的
半导体。研究发现,如果将二维的石墨烯裁剪为一维的石墨烯纳米条带可以得到具有一定能隙的半导体。AF 构型下的锯齿型GNRs 是半导体,但是通过外加电场,边缘修饰或B-N 链的替代掺杂,它可以被调制成半金属。Son [21]等人的研究显示,对于扶手椅型石墨稀纳米带,在纳米带宽度很小时,石墨稀纳米带的电子结构特征表现为具有一定能隙宽度的半导体,随带边指数的不同,其带隙宽度具有一定的规律性。按照Moor G [22]提出的约每18
个月单位
面积芯片上的晶体管的数量增加一倍的规律向前发展，现行的微电子加工工艺将在几年后接近发展的极限，当器件的尺寸缩小到一定程度时，传统的半导体加工工艺将不再适用。因此巧妙地利用GNR的边缘效应所带来的可变电学性能，可以用来制备更加优良的半导体器件。
2.1.4纳米电子器件
随着社会的飞速发展和人们生活水平的不断提高,人们对于电子设备的智能化、小型化、集成化以及电子信息的超快传输和高密度存储的要求越来越高,对材料尺寸的要求越来越小。石墨烯基材料具有很好的导电性，大规模廉价的生产会促进它在高传导率集成电路方面的研究。石墨烯基材料很可能成为组建纳米电子器件的最佳材料，而GNRs因其独特的结构特性，如果注重其边缘的工程控制，将会使之成为纳米电子器件的主打材料。
2.2 力学领域
GNRs和石墨烯一样有很好的力学性能。美国NASA为了激励科学家发明出制备太空电梯缆线的坚韧材料，曾经发出了400万美元的悬赏。GNRs的出现，成为了一种极其有希望的材料。在增强复合材料方面，GNRs已经超越了碳纳米管，可作为添加剂广泛应用到高强度复合材料中。美国的伦斯勒理工
学院研究者发表的研究成果表明，石墨
烯基材料可以用于制备风力涡轮机和飞
机机翼的增强复合材料。
2.3 热学领域
2008年，Balandin[23]等人研究了
石墨烯的Raman光谱的G峰频率与高
温的关系，发现在室温下，单层石墨烯
热导率约比传统导热材料金刚石高出1
倍以上。而石墨烯基材料在弹道区域的
运输特性，经Jiang[24]研究发现沿平面
方向热导率呈现各向异性。GNRs可以
用在热传导材料上，因为宽度小，制造
时可以控制其长宽，因而可制成纳米级
的导热器件，并且因其边缘构造的特
殊性，可以加入多种元素对其改性，
使其性能得到大幅度提高。2009年，
Nika[25]等人从理论上研究石墨烯的声
子热导率，表明在室温下单层石墨烯热
导率很高。这为GNRs制品的日常应用
做了很好的理论铺垫。
2.4 其他领域
从光学角度来说，GNRs是一种“透
明”的导体，它的可见光透过率与波长
无关，可以用来替代现在的液晶显示材
料。希腊大学Froudakis等[26]设计了
新型3D碳材料，孔径尺寸可调，他们
将其称为石墨烯柱，当这种新型碳材料
掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可
达到6.1%(wt)。Ataca等[27]用钙原子
(Ca)掺杂石墨烯基材料，利用第一性原
理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca
原子掺杂后储氢量约为8.4%(wt)。而
GNRs比石墨烯有更强的可塑性，应用
于能源储存非常有前景。Fan等人利用
石墨烯的高电子迁移率和高比表面积,
制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺石
墨烯复合物，而GNRs的加入将会提高
更多复合材料的多功能性和加工性能。
2008年，中国科学院上海应用物理研
究所物理生物学实验室就开始了新型石
墨烯基材料纳米抗菌材料方面的研究工
作，探索了氧化石墨烯的抗菌特性，发
现氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆
菌细胞膜的破坏，将GNRs的性能加以
探究利用应用于生物材料将会是不久的
未来。
3结束语
石墨烯在短短的几年间，从一个新
生儿快速成长为科学界的新星，随之被
发现的GNRs更是成为了科学界的研究
热点。GNRs因其独特的边缘构造而具
有了其他材料所不具备的优良物理化学
性质，在光、电、力、热等方面都成为
了非常具有前景的应用材料。GNRs领
域的研究极具潜力，它的批量制备和应
用必定会引发科学研究界的巨大变化。
参考文献
[1] Balog R, Jorgensen B, Andersen M, et al. Bandgap opening in graphene induced by patterned hydrogen adsorption[J]. Nat. Mater., 2010, 9(4): 315-9.
[2] Klein D J. Elemental Benzenoids[J]. Chem. Phys. Lett., 1994, 34 (2): 453-59.
[3] Han M Y, Ozyilmaz B, ZhangY, Kim R. Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons [J]. Phys. Rev. Lett., 2007, 98 (20): 206805.
[4] Kosynkin D, Higginbotham A, Amanda L, et al. Longitudinal Unzipping of Carbon Nanotubes to Form Graphene Nanoribbons[J]. Nature, 2009, 458(7240): 872-876.
[5] Huang J Y, Chen S Ren, Z F, et al. Dresselhaus, M. S. Enhanced Ductile Behavior of Tensile-Elongated Individual Double-alled and Triple-alled Carbon Nanotubes at High Temperatures[J]. Phys. Rev. Lett., 2007, 98(18): 185501.
[6] Kim K, Sussman A, Zettl A. Graphene Nanoribbons Obtained by Electrically Unrapping Carbon Nanotubes[J]. ACS Nano, 2010, 4(3): 1362-1366.
[7] Jiao L Y, Zhang L, ang X R, et al. Narro Graphene Nanoribbons from Carbon Nanotubes[J]. Nature, 2009, 458(7240): 877-880.
[8] Chen L, Hernandez Y, Feng X L, et al. From Nanographene and Graphene Nanoribbons to Graphene Sheets: Chemical Synthesis[J]. Ange. Chem. Int Edit., 2012, 51(31): 7640-7654.
[9] Abramova V, Slesarev A S, Tour J M. Meniscus-Mask Lithography for Nano Graphene Nanoribbons. ACS Nano, 2013, 7(8): 6894-6898.
[10] Liu L, Zhang Y, ang , et al.Nanosphere Lithography for the Fabrication of Ultranarro Graphene Nanoribbons and On-Chip Bandgap Tuning of Graphene [J]. Adv. Mater., 2011, 23(10): 1246-1251.
[11] Cong C, Yu T, ang H, et al. Self-Limited Oxidation: A Route to Form Graphene Layers from Graphite by One-Step Heating[J]. Small, 2010, 6(24): 2837-2841.
[12] Bjork J, Stafstrom S, Hanke F. Zipping Up: Cooperativity Drives the Synthesis of Graphene Nanoribbons. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(38): 14884-14887.
[13] Li X S, Cai W W, An J H, et al. Large-area Synthesis of High-quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils[J]. Science, 2009, 324(5932): 1312-1314.
[14] Gao L B, Ren W C, Zhao J P, et al. Efficient Growth of High-quality Graphene Films on Cu Foils by Ambient Pressure Chemical Vapor Deposition[J]. Appl Phys Lett, 2010, 97(18): 183109.
[15] Yang R, Zhang L, ang Y, et al. An Anisotropic Etching Effect in the Graphene Basal Plane[J]. Adv. Mater., 2010, 22(36): 4014-4019.
[16] Lemme M C, Bell D C, illiams J R, et al. Etching of graphene devices ith a helium ion beam[J]. ACS nano, 2009, 3(9): 2674-2676.
[17] Dayen J, Mahmood A, Golubev D, et al. Side-gated transport in focused-ion-beam-fabricated multilayered graphene nanoribbons[J]. Small, 2008, 4(6): 16.
[18] Lin Y M, Dimitrakopoulos C, Jenkins K A, et al. 100-GHz Transistors from wafer-scale epitaxial graphene[J]. Science, 2010, 327(5966): 662.
[19] Chitara B, Panchakarla L S, Krupanidhi S B, et al. Infrared Photodetectors Based on Reduced Graphene Oxide and Graphene Nanoribbons. Adv. Mater., 2011, 23(45): 5419-5424.
[20] Basant C, Panchakarla L S, Krupanidhi S B, et al. Infrared Photodetectors Based on Reduced Graphene Oxide and Graphene Nanoribbons[J].Adv. Mater., 2011, 23(45): 5419-5424.
[21] Son Y W, Cohen M L, Louie S G. Energy Gaps in Graphene Nanoribbons[J]. Phys. Rev. Lett., 2006, 97(15): 216803, DOI: 10.1103/PhysRevLett.97. 216803.
[22] Moore G. Cramming More Components onto Integrated Circuits[J]. Electronics Magazine, 1965, 38(8): 114-117.
[23] Calizo I, Balandin A A, Bao W, et al. Superior Thermal Conductivity of Single-layer Graphene. Nano. Lett., 2008, 8(3), 902-907.
[24] Jiang J W, Wang J S, Li B W, Thermal Contraction in Silicon Nanowires at Low Temperatures. Phys. Rev. B., 2010, 2(12), 205418.
[25] Nika D L, Pokatilov E P, Askerov A S , et al. Phonon Thermal Conduction in Graphene: Role of Umklapp and Edge Roughness Scattering[J]. Phys. Rev. B, 2009, 79, 155413.
[26] Dimitrakakis G K, Tylianakis E, Froudakis G E. A new 3-D Network Nanostructure for Enhanced Hydrogen Storage[J]. Nano. Lett, 2008, 8(10): 3166-3170.
[27] Ataca C, Akturk E, Ciraci S. Hydrogen Storage of Calciumatoms Adsorbed on Graphene: First-principles Plane Wave Calcu-lations[J]. Phys. Rev. B, 2009, 79: 1-4.
石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究
学位论文诚信声明书 本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。 学位论文（设计）作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文（设计）作者签名：指导教师签名： 年月日
论文题目：石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究 专业：微电子学 本科生：朱善旭（签名）___________ 指导教师：徐大庆（签名）___________ 摘要 随着集成电路技术的快速发展，集成密度，速度和存储器容量等集成电路性能指标的进一步发展必须要减小设备的尺寸。但是随着器件尺寸不断减小，硅材料较小的载流子迁移率，较低的热传导率，较差的稳定性成为了集成电路行业进一步发展的障碍，因此寻找新的材料来代替硅成为了科学研究的热点。石墨烯具有极高的电子迁移率（15000cm2·V- 1·S - 1）和优良的热传导率（3-5KW·m- 1·K- 1），因此，石墨烯被认为是可以取代单晶硅或者与单晶硅相结合，进而保持集成电路继续沿着摩尔定律提高性能的一种重要的新材料。 众所周知，本征石墨烯是一种带隙为零的半金属材料。如何打开石墨烯纳米带的带隙，使之具有半导体的基本性质，是研制石墨烯基半导体电子器件的重要条件之一。本研究基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio程序及其CASTEP 模块研究如何改变石墨烯纳米带的能带结构。首先通过建立扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带模型计算分析不同形状的石墨烯纳米带的能带结构，并改变石墨烯纳米带的长度和宽度以及纳米带的层数研究结构变化对石墨烯纳米带带隙的影响，然后通过建立掺杂、吸附模型研究其各自对石墨烯纳米带带隙的影响，最后研究应力下的石墨烯纳米带的能带结构。 研究表明，不同长宽的石墨烯纳米带能带结构有变化。在长度较小，宽度适中时扶手椅型石墨烯纳米带带隙较大，长宽均较小时锯齿型石墨烯纳米带带隙较大，双层结构的石墨烯纳米带的带隙相对单层也会发生变化。另外，掺杂和吸附均可实现石墨烯纳米带能带结构的调控，但吸附对石墨烯优越的电学特性改变较小。最后，研究发现应力的存在使石墨烯纳米带的带隙减小。 关键词：石墨烯纳米带，能带结构，带隙，掺杂，吸附
石墨烯纳米带的制备及其应用
石墨烯纳米带的制备及其应用： [1]于璇,刘一,叶雨萌,肖胜雄.石墨烯纳米带的制备方法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2018,47(05):539-551+508. 石墨烯是一种二维大平面结构, 为了维持其自身的稳定, 很容易产生皱褶、起伏等结构缺陷.因此, 近年来研究者们开始着重研究石墨烯不同形态的衍生物.其中, 石墨烯纳米带(GNRs) 成为继CNTs之后被广泛关注的一类准一维碳基纳米材料.GNRs是指宽度小于50 nm的石墨烯条带, 其理论模型最初于1996年由FUJITA等[3,4,5]提出, 以检查石墨烯中的边缘和纳米级尺寸效应.由于其具有高载流子迁移率, 石墨烯也被公认为是纳米电子学未来最有应用前景的材料之一.尽管如此, 在纳米电子学中利用石墨烯的最大挑战之一就是其缺乏足够大的带隙[6].因为没有带隙, 则难以关闭石墨烯场效应晶体管(FETs) , 导致较小的开关比, 所以石墨烯不能直接应用于晶体管.要想在打开石墨烯带隙的同时保证其载流子迁移率不下降, 最好的办法就是将石墨烯裁剪成宽度较小的GNRs.当材料的尺寸变得等于材料中电子运动的特征长度时, 材料的性质在很大程度上取决于其尺寸和形状.GNRs结构引起的量子限域可以引入相当大的带隙, 使得GNRs可以应用于纳米电子学中.虽然GNRs不具有石墨烯那样易于器件化的平面结构, 但它继承了石墨烯的许多优异性质, 且由于GNRs特殊的边缘限域效应, 从而使其具有比石墨烯更灵活的可调节性质和更大的实用价值. 1.1 自上而下的制备方法 到目前为止, 人们对石墨烯的制备方法进行了各种研究, 取得了很多进展, 其基本思路可以分为两种:一种是以天然石墨为原料, 从大到小剥离得到单层的石墨烯材料;另一种是从碳原子出发, 从小到大合成GNRs.但如何大批量的制备高质量石墨烯, 仍然是学术界急需解决的问题. 自上而下的方法是目前较成熟的方法之一, 该方法是把大的GNRs、石墨烯晶体、CNTs 等通过一系列的方法变成所需尺寸的纳米带.这种方法不能提供均匀的超窄带宽度和原子级精确边缘, 但是相比于自下而上的制备方法可以大规模的合成GNRs.如图4所示, GNRs的制备方法可以简单总结为几种[12]: (a) 多壁碳纳米管(MWCNTs) 的嵌入-剥离方法, 包括在液态NH3和Li中进行处理, 以及随后使用HCl和热处理的剥离方法; (b) 化学途径方法, 涉及可能破坏碳-碳键的酸反应, 例如硫酸(H2SO4) 和高锰酸钾(KMnO4) 作为氧化剂; (c) 催化方法, 其中金属纳米粒子像剪刀一样纵向“切割”CNTs; (d) 电学方法, 让电流通过CNTs; (e) 物理化学方法, 将CNTs嵌入聚合物基质中, 然后进行Ar等离子体处理, 得到的结构是展开的碳纳米管, 如图4 (f) 所示, 进一步得到GNRs.下面将具体从解卷CNTs法、催化反应解离石墨烯法和石墨烯刻蚀法等方法详细介绍如何制GNRs. 1.1.1 解卷CNTs法 由于GNRs在结构上与CNTs相关, CNTs可以被视为卷起的GNRs, 因此可以通过纵向拉开CNTs来合成GNRs.而解卷CNTs的方法多种多样, 目前比较成熟的就是将CNTs通过一定的方式变成GNRs.解卷CNTs是利用外界作用将管状CNTs切割成带状GNRs的方法.该方法工艺简单、成本低廉, 并且所得GNRs尺寸均一、边缘平整、缺陷低, 因此在大规模制备高质量GNRs领域呈现具体广阔前景.CNTs是圆柱形碳同素异形体, 有明确且可控的直径, 这使得它们成为精确尺寸GNRs的合适前体. KOSYNKIN等[14]报道了一种基于溶液的氧化工艺以打开MWCNTs.他们首先将MWCNTs悬浮在浓H2SO4中, 然后用KMnO4处理, 将混合物在室温下搅拌1 h, 然后在55~70℃下再加热1 h.该过程完成之后, 纳米带的边缘和表面上都会出现含氧物质, 例如环氧
水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池
纳米石墨烯的特性以及应用
纳米石墨烯的特性以及应用 摘要：石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递 一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。
高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
石墨烯纳米带的研究进展_李婧
图1 GNRs的TEM照片[4] 基金项目：河北省高校重点学科建设项目资助；河北省高等学校科学技术研究青年基金(No.Q2012111)；河北省自(NO.E2013210011)；河北省大学生创新创业训练计划项目；河北省高校重点学科建设项目资助。
人员深入研究GNRs 的高效制备方法开启了一扇大门。James 小组认为，他们制备的GNRs 可用于柔韧触摸屏、太阳能电池板、以及制成轻薄导电纤维，以取代笨重的铜线，进而用于航空航天领域。本文对GNRs 的典型制备方法进行了综述，并比较各种方法的优劣，最后对GNRs 的应用进行了介绍，对其未来进行了展望。 1 GNRs 的制备方法 清楚的看到剥离的GNRs 一端连接导电电极，一端是脱离的CNTs 内心。并且产生的GNRs 随着电压的增加，电导率也增加，这为它成为电学材料提供了很好的应用前景。这种方法生成的GNRs 宽度分布均匀(45nm 左右)，含杂质量低，如果有效实现批量快速生产，有望实现高质量GNRs 的宏量制备。 1.1.2混酸切割CNTs 法 CNTs 具有与石墨相同的晶体结构，CNTs 的发现远早于石墨烯和 GNRs，并且CNTs 非合成技术现在已经成熟。Zhang 等人提出，切割垂直排列的CNTs 获得的GNRs 有许多优异的电学性质，可用于超级电容器。纵向切割和压制管状CNTs 制成GNRs，这种方法通过控制CNTs 的长度和直径进而控制所需GNRs 的尺寸，从而制备出所需的各种规格GNRs，这种方法操作简单方便，得到的GNRs 边缘光滑。James [5]小组用高锰酸钾和硫酸混合处理CNTs，沿着一个轴心将纳米管打开可以得到宽度在100～500nm 的GNRs，如图3所示。这种方法虽然可以制备大量的GNRs，但是得到的GNRs 不是半导体，应用上有一定限制。 1.1.3钾气裂解CNTs 法 催化法是利用化学沉积或磁控溅射把催化的纳米颗粒分散到CNTs 的表面上，在某些特定的气体（如H 2）氛围下进行加热。在纳米粒子的催化下，气体分子会和CNTs 表面的碳原子反应而使得CNTs 裂解产生GNRs。这种方法相对比较简单，但是会影响产物的性质。后来，Kosynkin 等人用气态钾来做催化剂，在250℃真空环境下催化裂解CNTs，得到了边缘连接着钾的GNRs，用乙醇质子化处理后可以得到质量有所提高的边缘钝化的GNRs。 图2 电解CNTs 制备石墨烯过程示意图 [6] 图3 CNTs 逐级拉开形成GNRs 的示意图 [4] 1.1 切割CNTs 法 1.1.1电极切割CNTs 法 在非常高的电偏压下，碳纳米管(CNTs)会显示出超塑[5]。Kim K [6]等人提出了用电流诱发CNTs 裂解制备GNRs 的方法。在真空下，利用电极的移动，促使CNTs 外层裂解。如图2所示，在电极的移动下，通过对电偏压的控制使CNTs 外层被裂解，移除的内心成为一个新的CNTs，剩下的GNRs 完全悬浮在真空中。在图2 中，我们可以
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
石墨烯及其纳米复合材料发展.
河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日
摘要 自从2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料
石墨烯纳米带场效应管
石墨烯纳米带场效应管原理 微电子与固体电子学专业 学生潘立丁S111411 指导教师石瑞英摘要：由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为了石墨烯晶体管器件制造的关键。本文主要关注的石墨烯纳米带场效应管，通过对肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管这两种结构进行对比和分析来了解其主要特性。 关键词：石墨烯纳米带场效应管肖特基势垒 Abstract：Because there is no energy gap in graphene，it is very difficult to achieve on-off characteristic while use it to make transistors, and it is metallic behavior also have been a big problem if we want to use it in logical circuits. How to get an energy gap in grapheme has become the key point of the fabrication of grapheme transistors. This paper focus on graphene nanoribbon FETs, the comparison of two structures (GNR SBFET and GNR MOSFET) is used to analyze the main behaviors of graphene nanoribbon FETs. Key words：graphene nanoribbon field-effect-transistor schottky barrier 1、引言 石墨烯[1]（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，石墨烯被成功地从石墨中分离出来。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体迁移率高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输的速度极快，因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。 2、石墨烯纳米带基本结构 目前已知可以在石墨烯中引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。 (2) 利用量子陷阱效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如纳米带)引入能
石墨烯纳米材料(论文)
《应用胶体化学》论文大作业 ——石墨烯纳米材料 姓名：杨晓 学号：200900111143 年级：2009级 2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录 引言 (4) 一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4) 二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5) 2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5) 2.1.1 国外研究 (5) 2.1.2 国内研究 (8) 2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11) 三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11) 3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11) 3.1.1 实验试剂 (11) 3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11) 3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12) 3.2.1 试剂和仪器 (12) 3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12) 3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12) 3.3.1 石墨烯的制备 (12) 3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14) 3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14) 3.4.1 石墨烯的制备 (14) 3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15) 3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16) 3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16) 3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16) 3.5.3 加热SiC的方法 (17) 3.5.4 化学分散法 (17) 四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17) 4.1 石墨烯 (17) 4.2 氧化石墨烯 (18) 4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18) 4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18) 五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18) 参考文献 (20)
掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究
第39卷第4期2011年8月 福州大学学报（自然科学版） Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition） Vol．39No．4 Aug．2011 DOI：CNKI：35－1117/N．20110705．1543．017文章编号：1000－2243（2011）04－0533－06掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究 安丽萍1，2，刘念华1，刘春梅1，刘正方1 （1．南昌大学高等研究院，江西南昌330031；2．燕山大学物理系，河北秦皇岛066004） 摘要：基于第一性原理计算，研究了B/N掺杂对宽度为N a =3p+2=11的扶手椅（Armchair）型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响．杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大，并在能隙中出现了一条局 域的杂质态能带，杂质的位置也影响其能带结构．另外，杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射，其特 点与掺杂种类、掺杂位置和结构对称性有关． 关键词：扶手椅型石墨烯纳米带；杂掺；电子结构；输运性质 中图分类号：O472文献标识码：A The study of the electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons with dopant AN Li－ping1，2，LIU Nian－hua1，LIU Chun－mei1，LIU Zheng－fang1 （1．Institute for Advanced Study，Nanchang University，Nanchang，Jiangxi330031，China； 2．Department of Physics，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China） Abstract：The electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons（AG-NRs）with B/N dopant are studied by using the first－principles calculation．It is shown that because of the existence of the dopant，there is an impurity band in the energy gap of armchair graphene nanor-ibbons and their energy gaps increase．The band structures depend also on the position of the dopant． In addition，the existence of the dopant yields resonant backscattering in the charge transport，whose features are strongly dependent on the types，the position of the dopant and the symmetry of the struc-ture． Keywords：armchair graphene nanoribbons；dopant；electronic structure；transport properties 单层石墨片的成功剥离和石墨烯纳米带（graphene nanoribbon）的成功制备引起了人们对此类碳基纳米 材料研究的极大热情［1－9］．这种石墨烯纳米带具有类似碳纳米管（CNTs）的结构和量子限域效应，是潜在 的新一代微纳电子学的候选基础材料之一．石墨烯纳米带是具有一定宽度、无限长度的准一维带状石墨 烯，按照边缘的形状，可以分为锯齿型石墨烯带（zigzag－graphene nanoribbon，ZGNR）和扶手椅型石墨烯 带（armchair－graphene nanoribbon，AGNR）．石墨烯纳米带的特性强烈依赖于它们的几何构型，通过控制 几何构型可将其调制成金属或能隙宽度依赖于纳米带宽度的半导体［10］，这在能带工程中非常有用． 另外，石墨片和石墨烯纳米带在最初的制备过程中不可避免地产生各种缺陷，如拓扑缺陷、空位、吸 附原子和替位式杂质，这些缺陷的存在会影响其结构和性能［5－9，11－20］．类似于传统半导体，如在锯齿型石 墨烯带中掺B/N，将产生受主（施主）杂质能级，实现金属和半导体的转变，而且随着杂质原子在纳米带 中位置的不同，将会发生受主与施主的转变［13］．另外，由石墨烯裁制而成的微纳电子器件一般都是在有 限偏压下工作，有必要研究偏压下石墨烯纳米带的电子输运情况．本工作旨在探讨宽度为N a=3p+2=11 的扶手椅型单层石墨烯纳米带的掺杂效应，利用第一性原理方法研究B/N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带 电子结构和输运性质的影响． 收稿日期：2010－10－27 通讯作者：安丽萍（1975－），讲师，E－mail：fox781209@sina．com．cn 基金项目：国家自然科学基金资助项目（10832005）
高分子石墨烯纳米复合材料的前沿与趋势
石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。
石墨烯纳米材料及其应用
石墨烯纳米材料及其应用
石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月
目录 摘要 (4) 1引言 (4) 2石墨烯纳米材料介绍 (4) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6) 3.1金属离子吸附 (6) 3.2有机化合物的吸附 (7) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9) 4.1石墨烯基膜 (9) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11) 5展望 (12)
摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子
石墨烯纳米复合材料
文献阅读报告 文献标题：Size and syn ergy effects of nano filler hybrids in clud ing graphe ne nan oplatelets and carb on nano tubes in mecha ni cal properties of epoxy composites 文章来源：Origi nal Research ArticleCarb on. Volume 50, Issue 15, December 2012, Pages 5380-5386 文章作者：S. Chatterjee, F. Nafezarefi, N.H. Tai, L. Schlagenhauf, F.A. Nu " esch , B.T.T. Chu A Laboratory for Functional Polymers, EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Scie nee and Tech no logy, Du …ben dorf, Switzerla nd B Department of Materials Science and Engineering, National Tsing Hua Uni versity, Hsin chu, Taiwa n rale de C Institut des Mate ' riaux, EPFL, Ecole Polytechnique Fe ' de Lausa nne, Lausa nne, Switzerla nd 、作者所做的内容： 改性多壁碳纳米管与石墨烯微片增强聚芳醚腈复合材料 .、作者此项工作的原因： 聚芳醚腈（PEN），作为特种工程塑料，其具有高强度，高模量，耐高温等性能， 在航天，军工，电子等特殊领域具有广阔的应用前景。聚芳醚腈上的极性氰基基团具有 一定的粘结性，且聚芳醚腈容易成型，因此是制备先进复合材料的优秀载体。 三、作者的实验原理及步聚： 为了进一步扩大聚芳醚腈在介电，机械以及热学领域的应用价值，本论文以价格低 廉的双酚A型聚芳醚腈为基体，以多壁碳纳米管和石墨烯微片为填料, 通过对多壁碳纳 米管和石墨烯微片的氰基化改性，有效阻止了多壁碳纳米管和石墨烯微片的团聚。
石墨烯纳米带增强铝基复合材料(带图片)
石墨烯纳米带增强铝基复合材料 Jingyue Wang,a Zhiqiang Li,a,＊Genlian Fan,a Huanhuan Pan,a Zhixin Chen b and Di Zhang a,＊ a金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学，200240，中国。 b Wollongon大学工学院，Wollongon，NSW 2522，澳大利亚。 收于2011年11月12日,修订于2012年1月3日,接受于2012年1月9日 网上发表于2012年1月16日 石墨烯的断裂强度为125GPa,这使其成为复合材料的理想增强体。石墨烯纳米片（GNSs)增强铝基复合材料就是首次基于可行的片状粉末冶金法制备而成的，仅仅加入0.3wt.%的GNSs增强铝基复合材料，其抗拉强度就变为249MPa,与未被增强的铝基相比提高了62%。此次实验对GNS/Al复合材料的相关增强机制进行了研究和讨论。 关键词：金属基复合材料；石墨烯纳米片；片状粉末冶金；机械性能；增强机制石墨烯碳原子之间通过SP2杂化结合，具有完美的二维晶体结构[1,2] 近年来由于其具有出色的性能，例如高杨氏模量（1TPa）[3],高断裂强度（125MPa)[3],极高的导热率（5000 W m-1k-1)[4]和超高的载流子流动性(200,000 cm2V-1s-1)[5]，这引起了人们对它极大的关注。石墨烯纳米带是由几层石墨烯组成的，性能与单层石墨烯相似，但更容易制备和处理。GNSs的性能可能显著优于碳纳米管（CNTs)，并且其在电子和复合材料领域做为优良的电子组件和理想的增强体有巨大的潜力。因此对于GNSs纳米复合材料的研究和发展是石墨烯在实际应用中的关键所在[6]。 另一方面,由于金属基复合材料相比与传统金属和合金具有更高的强度以及更轻的质量，它(间)被广泛应用于汽车、航空航天和电子行业[6]。在过去十年，人们为了满足对结构强度和能源效率日益增长的要求[7] ，已经对CNT 增强铝基复合材料（CNT/Al)进行了广泛而深入的研究。但是尽管在有些方面