石墨烯衍生物的制备(2)

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第4章全文总结及展望 18

4.1 全文总结 18

4.2 课题研究展望 18

致谢 19

参考文献 20

第1章绪论

1.1 引言

碳元素是形成所有有机生命体的重要元素之一，也是最为典型的无机元素。人们也在一直地对其进行研究，努力拓展碳的新种类。

在大自然中，除了以石墨、金刚石形式稳定存在的碳单质，自然界中事实上并不存在自由状的石墨烯。在一般的情况下，它会叠加堆积成为体相石墨。1985年来自英美的三位科学家发现一种由六十个碳原子构成的分子，外形形似足球，后被称为C60(巴基球)——富勒烯(C60) [1]。随着科学家们不断研究，C70、C86等一系列的碳材料的发现，极大地推动了富勒烯材料的研究进程。1991年人们发现了一种由二维石墨片层经过卷曲形成的一维无缝管状碳纳米结构——碳纳米管[2]。而三维的碳材料——石墨(层状晶体)和金刚石，早已被人们所熟知。只有二维的碳材料迟迟未被发现。

大约七十多年前，科学家们曾经达成了一个共识：二维碳材料的热力学特性使其不能单独稳定地存在。一旦从三维石墨中将石墨烯剥离出来，石墨烯便会弯曲或分解。然而这个共识并没有阻止科研人员对石墨烯在实验和理论上进行更加深入的研究。早在1962年，就有人制备出了很薄的石墨片。当时使用的方法是通过化学还原氧化石墨来制备还原氧化石墨烯（rGO）。由于在那时科学家们的主要研究方向并不在此，而是在石墨上进行插层来制备石墨化合物，所以这个成果并未引起广大科研人员的关注。这种化学还原氧化石墨的制备方法被美国材料学家Ruoff等人重新深入研究并进行了拓展，后来这种方法逐渐成为大规模制备石墨烯的主要化学方法[3-4]。

自从C60被发现后，从零维的C60富勒烯和一维的碳纳米到二维的石墨烯，新型纳米碳材料合成方法引起了科学家们浓厚的兴趣。特别是石墨烯的制备方法更是成为了纳米科技的热门的研究课题之一。首先，人们采用物理剥离法和化学插层剥离法来制备石墨烯。利用这些方法，人们得到了少层石墨烯，厚度10 nm（层数约为30层）。经过研究后发现这些剥离出来的石墨烯具有特殊的电学性质，并且厚度越小这些电学性质越明显。为了得到更薄的石墨烯，Walt de Heer等人发展了一种碳生长法，外延生长法。利用该技术可制得只有3层的石墨烯片。然而，一直没有单层的石墨烯被成功制备。直到2004年，Geim课题组利用了另一种物理方法——胶带剥离法首次制备出单层与少数几层的石墨烯，这种石墨烯稳定并且质量高。一年后，Kim和Geim两个课题组研究并在《Nature》杂志上发表了石墨烯的电子特性[5-6]。杂志上报道了石墨烯优秀的物理、化学性能、特殊的二维结构以及它特殊的电学性能。对于石墨烯的最新发现激发了世界上科研人员的研究兴趣，给科学家们提供了新的研究方向。这种新被研制出的二维结构石墨烯与零维的富勒烯和一维的碳纳米管和三维的石墨金刚石共同构筑出完整维度的碳材料，弥补了一直缺少的二维石墨。六年后，2010年，两位科学家Novoselov和Geim因他们在石墨烯方面所做出的开创性研究成果被授予了诺贝尔物理学奖。

1.2 石墨烯的性质和基本结构

石墨烯是一种晶格呈六角蜂窝状的碳原子平面薄膜。它是通过sp2杂化轨道形成的二维材料，厚度很小，仅为一个碳原子。在被发现的纳米材料中，石墨烯是目前世界上最坚硬和最薄的。它的导热系数高于碳纳米管和金刚石，大约为5300 W/m·K。它几乎通透，只吸收2.3%的光。常温下电阻率只大约10-6 Ω·cm，比一般的金属都要低，即使是常用的铜和银也比不上，是目前被发现的材料中电阻最小的。其电子的迁移率很快，为15000 cm2/(V·s)，比纳米碳管或硅晶体更高。因为它的电阻率很小，又拥有高于一维碳材料和硅晶体等常见材料的电子迁移率，使得它能够被研制成最新型的电子元件和晶体管，其结构更薄，导电速度更快。同时，石墨烯结构非常稳定。到今天为止，研究人员还未发现石墨烯当中有碳原子丢失的状况。石墨烯中的各个碳原子的连接十分紧密并且具有韧性源`自*751?文.论~文`网[www.751com.cn，只要受到冲击力，碳原子表面就变形弯曲，使得碳原子不用重新排序来保持原状，也就保证了结构的稳定。到目前为止，石墨烯的理论研究已经进行了六十多年，都被用于解释和描述各种各样的以碳制备出来的复合材料的结构以及性能。在理论上，石墨烯通过多层石墨烯按一定的次序排列就可以构建三维的石墨结构。