新型碳材料石墨烯及其拉曼光谱毕业论文(编辑修改稿)

新型碳材料石墨烯及其拉曼光谱毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

，但层与层之间并不稳定，如果以一定的方式对石墨片进行剥离，使其只有一层或数层，就会产生另一种二维碳纳米材料。 在 2020 年之前就有人预言存在这种材料，但由于当时人们的认识和科技发展程度有限，认为不可能单独存在稳定的二维纳米材料。 直到 2020年，英国曼彻斯特大学的安德烈 . 盖姆（ Andre Geim）和康斯坦丁 . 诺沃肖洛夫（ Konstantin Novoselov）在实验中发现并制备了单层石墨烯片 [6]，人们才开始注意这种神奇的碳纳米材料。 由于石墨烯（ graphene）可以视为石墨（ graphite）的单层或数层，所以它们的性质十分相似，均是由碳原子以六方结构的 2sp 键杂化链接而成的。 但是由于它比石墨少了层与层的弱分子力，因此有着比石墨更为特殊的性质。 迄今为止 ，科学家们已发现石墨烯有着独特的物理化学性质，它拥有高比面积，高导电性，高机械强度，高热导率等。 由于它这些高效的性能，使得它成为近些年各国科技研究的 “新宠儿 ”，尤其在美、韩、中、日等国研究非常活跃。 石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。 拉曼光谱基础 拉曼光谱是一种散射光谱。 其分析方法是由印度科学家拉曼发现的拉曼散射效应得到的，对于入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子 振动 、转动方面的信息，并应用于分子结构的一种分析方 法。 拉曼光谱是由拉曼于 1928 年在实验中发现，当光穿过透明介质时，光子会被其中的分子散射使其光频率发生变化，这种现象叫做拉曼散射 [7]。 当光 6 子入射到介质中的分子上时，若发生弹性碰撞，则出射光频率不变，发生的是瑞利散射，其强度只有入射光强度的 310 倍；若发生的是非弹性碰撞，则出射光频率在原频率左右有变动，并对称分布，发生的是拉曼散射，其强度大约为瑞利散射的 310 倍。 现假设入射光频率为 0v ，并发生拉曼散射，则其出射光的谱线在光谱中对称的分布在 0v 的两侧，频率为10 vv。 其中频率 小于入射光频率 0v 的成分 10 vv ，称为斯托克斯线；频率 大于入射光频率0v 的成分 10 vv ，称为反斯托克斯线。 在被散射的光中，根据其相对于入射光频率的改变，可将散射分为三种：第一种，其频率基本不变或变化小于 105 cm1，这种散射就是瑞利散射；第二种，其频率变换大约为 cm1，称为布里渊散射；第三种，其波数变化大于 1 cm1，则为拉曼散射。 值得一提的是，瑞利散射光的强度要远大于拉曼散射光强度，并且拉曼散射永远伴随着瑞利散射的发生，不可能单独存在。 所以在研究拉曼光谱时一定要滤去瑞利光谱，这样才能保证准确 [8,9]。 图 1 拉曼散射的产生原理 拉曼光谱对物质结构非常敏感，每一种物质都有独特的拉曼光谱，分析一种物质的拉曼光谱可以确定其结构特性，比如石墨烯的层数以及缺陷。 因此，确定拉曼光谱可以作为表征石墨烯特性的简单可靠的方法。 7 2 石墨烯 石墨烯的 发现 自从发现了零维的富勒烯和一维的碳纳米管，以及之前就发现的三维的石墨、金刚石，在碳 元素的单质中或者说是其同素异形体中只差一种二维的物质，而这个空缺物质也被预言是存在的，并获得了大多科学家的支持，把其命名为石墨烯，而且吸引着一批批的科学家、学者对其进行着研究。 大家都熟知的石墨，是由六方规则网状排列的碳原子以层状结构排列而成。 如果把这一层层的石墨单独抽出来就是石墨烯。 但由于当时的实验条件，和理论支撑的不足，当时科学界一致认为石墨烯并不能单独存在，而是存在于一定的物质，比如说 :石墨。 这种思想一直存在了好几年，直到 2020年由英国曼彻斯特大学的安德烈 . 盖姆（ Andre Geim）和康斯坦丁 . 诺沃肖洛夫（ Konstantin Novoselov）发现并在实验中制得。 打破了这种思想局限，完善了碳元素的同素异形体从零维到三维的完美体系，更使得石墨烯的量产及应用成为可能 [10]。 石墨烯的制成在科学界引起了很大的轰动，各国科学家都进行着各方面的研究，论文数量不断攀升，在对石墨烯进行了一定的研究之后，科学家们预言将进入 “后硅时代 ”。 随着研究的深入，石墨烯的制备方法也在不断增多，最主要的有两种：微机械剥离法， CVD生长法 [11]。 石墨烯的制备 在当时安德烈小组在制得石墨烯时用的是微机械剥离 法，也就是用透明胶带在一块经过处理的石墨上反复的粘贴、剥离，从这些剥离下来的碎片中挑选出层数较少的就是石墨烯。 这种方法操作简单，也是当时最为重要的方法。 但用这种方法制得的石墨烯有一定的缺陷：其制备的石墨烯尺度较小，最大仅为平方微米量级；且层数不均匀，在同一块石墨烯中总是掺杂着不同层数的石墨烯；以及形状不规则。 所以在当时制得一块较为完善的石墨烯是非常不易的，所以说也限制了对石墨烯的研究。 而以 CVD 生长法制备的石墨烯就可以避免以上缺陷，该法是将基底（一般为金属）置于含碳气体（如：甲烷、乙炔）的气流中，并在高温 粹烧下使得碳原子均匀的平铺在基底上形成石墨烯，然后运用化学腐蚀法去除金属基底即可得到独立的石墨烯片。 通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长（如：生长速率、厚 8 度、面积等），用这种方法已经成功制备出平方厘米级的单层或多层石墨烯。 由于是在高温下进行的，所以制得的石墨烯也可能存在一定的缺陷。 目前采用此种方法的主要有韩国三星、韩国成均馆大学等。 除此两种方法外，还有碳化硅表面外延生长，金属表面生长，氧化石墨烯法等，在生产制备中都有一定的运用。 石墨烯 的 结构与性质 通过以上介绍知道石墨烯可以简单的看做是石墨的一层或数层，由于石墨是由碳原子以六方结构的 2sp 键杂化链接而成的单原子层之间以共价键链接的层化结构，所以石墨烯是由碳原子以六方结构的 2sp 键杂化链接而成的单原子层 [12]。 图 2 石墨及石墨烯模型 由于石墨烯这种独特的结构，使得它成为构建成其它碳同素异形体的基本单元。 比如，石墨烯一层一层地重叠排列起来就可以 形成石墨；把石墨烯卷起来使其左右边相连形成管状，就成为了碳纳米管；如果把石墨烯包覆卷起成为球形，就可以形成富勒烯。 图 3 石墨烯可以构成其它碳 的 同素异构体 9 由于石墨烯是单原子层，所以它成为现在发现的世上最薄的二维材料，厚度仅有。 以及其稳定的六方结构，它也是目前最为理想的二维纳米材料。 石墨烯在有着独特的结构的同时也有着独特的性质。 石墨烯的机械强度在目前所测的材料中是最高的，其机械强度比生活中所用到的高强度材料钢铁还要高出 200多倍。 石墨烯不仅强度高而且韧性好，它每 nm100 可以承受最大压力达 ，并且其拉伸膜量为GPa1000 ，本 征 强度为 GPa130 ，力学性能为目前最好。 它有着极高的比表面积，理论值达到 gm /2600 2。 热导率为 KmKW /3 ，也比较高，是金刚石的 3 倍。 石墨烯时零带隙半导体，他有着良好的电子传输性能，在室温下其载流子迁移率高达 11215000  sVcm ，是现在通用的电子通讯线路材料硅的 100倍，也是之前所知道的迁移率最高的锑化铟材料的两倍 [13]，所以石墨烯一直是电子行业的研究重点，并被预言将进入 “后硅时代 ”。 由上可见，石墨 烯在物理及电学方面有着优良的性质，不仅如此，。