1 前言

1。1石墨烯

1。1。1 石墨烯的结构与性质

   石墨烯(Graphene) 是近几年比较热门的一种新材料，它是一种由碳原子构成的单层片状的新型材料。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形蜂巢状晶格的层状结构新材料（图1），它是已知材料中最薄的一种（厚度0。335 nm）。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫运用微机械剥离法从石墨中分离出石墨烯，从而证实石墨烯可以单独存在，他们也因此在2010年获得诺贝尔物理学奖。论文网

石墨烯是以sp2碳原子形成的，所以它具有极好的结晶性、力学性能和电学质量，也是构建其他维数碳质材料的基本单元。石墨烯稳定的结构使得碳原子具有优异的导电性，它的热导率可达到5000W/m·K，是室温下纯金刚石的3倍左右。石墨烯还是至今所测量物质中的强度最高的材料，其抗拉强度为150 GPa，比结构钢的强度高200倍，它的硬度超过了金刚石。石墨烯各碳原子间的连接非常柔韧，当对它施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，碳原子就不需要重新排列来适应外力，从而保证了石墨烯结构的稳定。石墨烯是世界上导电性能最好的材料，电子的运动速度达到了光速的1/300，远超过电子在一般导体中的运动速度。碳原子有四个价电子，每个碳原子都贡献出一个未成键的π电子，所有π电子与平面成垂直的方向可以形成轨道，π电子可以在晶体中自由移动，使石墨烯具有良好的导电性。此外，石墨烯的透明度相当的高，透光率达到98%左右。 

 石墨烯结构示意图

1。1。2 石墨烯的制备

石墨烯的出现吸引了很多材料研究工作者的兴趣，目前为止石墨烯材料的制备方法主要有：机械剥离法、化学氧化-还原法、溶剂剥离法、晶体外延生长法、溶剂热法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等等。

1。1。3 石墨烯的表征

目前表征石墨烯的主要手段有:光学显微镜、X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜、紫外光谱(UV)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)及原子力显微镜(AFM)等。 

   单层石墨烯厚度仅有0。335nm，在扫描电镜（SEM）下很难观察到，AFM是确定石墨烯结构最直接有效的办法。在HRTEM下(如图2a) , 可以估算出石墨烯材料的层数和面积大小，还可以清晰的看到石墨烯呈轻纱状半透明片状结构分布。为石墨烯的表征提供了一个易操作、速度快的表征手段。XRD可以用来表征石墨烯的合成, 并且对每一步的反应进行监控。在XRD上(如图2b), 当石墨被浓硫酸和高锰酸钾氧化为石墨氧化物后,26。4°处的石墨特征峰完全消失, 而在10。0°处附近则出现了一个新的衍射峰, 这是因为石墨被完全氧化,石墨层间距由于插层效应而拉大产生的结果。当通过使用水合肼还原后, 氧化石墨在的10。0°处左右的特征峰消失,在25。0°处位置出现了一个较宽的特征峰。这里表明氧化石墨又被还原了。在UV上(如图2c),氧化石墨表现了两个特征吸收峰,231 nm处的强吸收峰对应的是C=C键的π-π*跃迁,而300 nm 附近的弱吸收峰对应的是C = O 键的n-π*跃迁。当氧化石墨被还原成石墨烯,231 nm 处的π-π*跃迁峰逐渐红移到270 nm处, 这表明石墨烯的共轭电子结构在逐渐恢复。原子力显微镜能够清晰直观地反映出石墨烯片层厚度、大小等相关信息(如图2d)，是石墨烯材料最直观的表征手段之一。Raman光谱是表征石墨烯的另外一个很有效工具(如图2e )。石墨烯在拉曼光谱上特征吸收带是位于1582 cm- 1的G带和1350 cm- 1处的D带。G带和sp2杂化的碳原子的E2g拉曼活性模有关, D带则属于A1g对称k点声子的呼吸模。石墨烯的G 带峰与石墨相比较有所展宽并移动到了1595 cm- 1处。此外,在2690 cm- 1附近还有一个2D带,通过该带的位置和形状可确定石墨烯是单层、双层还是多层。文献综述