材料科學與工程期末報告-石墨烯 4A340013林臣陽 4A340100陳昱廷

簡介 石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫(左)和安德烈·海姆(右)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎 石墨烯是一種平面單層緊密打包成一個二維（2D）蜂窩晶格的碳原子，並且是所有其他維度的石墨材料的基本構建模塊。它可以被包裝成零維（0D）的富勒烯，捲成了一維（1D）的奈米管或堆疊成三維（3D）的石墨

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子網格。石墨烯的命名來自英文的graphite（石墨）+-ene（烯類結尾）。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。 石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42Å。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。 石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳奈米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。 石墨烯捲成圓桶形可以用為碳奈米管；另外石墨烯還被做成彈道電晶體（ballistic transistor）並且吸引了大批科學家的興趣。在2006年3月，喬治亞理工學院研究員宣布,他們成功地製造了石墨烯平面場效應電晶體，並觀測到了量子干涉效應，並基於此結果，研究出以石墨烯為基材的電路. 它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊，必須用量子場論才能描繪。

製備方法 在2008那年，由機械剝離法製備得到的石墨烯乃世界最貴的材料之一，人髮截面尺寸的微小樣品需要花費$1,000。漸漸地，隨著製備程序的規模化，成本降低很多。現在，公司行號能夠以公噸為計量單位來買賣石墨烯。換另一方面，生長於碳化矽表面上的石墨烯晶膜的價錢主要決定於基板成本，在2009年大約為$100/cm2。使用化學氣相沉積法，將碳原子沉積於鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬後，轉換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地製備出尺寸達30英吋寬的石墨烯薄膜。 方法一 撕膠帶法/輕微摩擦法 最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年，海姆等用這種方法製備出了單層石墨烯，並可以在外界環境下穩定存在。典型製備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地製造長度足供應用的石墨薄片樣本。

方法二 碳化矽表面外延生長 該法是通過加熱單晶碳化矽脫除矽，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用奧杰電子能譜確定表面的氧化物完全被移除後，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃後恆溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經過幾年的探索，克萊爾·伯格（Claire Berger）等人已經能可控地製備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，製備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。 方法三 金屬表面生長 取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到850℃後,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子「孤島」布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋8 0 ％後，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的交互作用，而第二層後就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現令人滿意。但採用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基質是稀有金屬釕。

方法四 肼還原法 將氧化石墨烯紙（graphene oxide paper）置入純肼(Hydrazine, N2H4)溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。 方法五 乙氧鈉裂解 一份於2008年發表的論文，描述了一種程序，能夠製造達到公克數量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然後將得到的乙醇鹽（ethoxide）產物裂解，經過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可製成公克數量的純石墨烯。 方法六 切割碳奈米管法 切割碳奈米管也是製造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳奈米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用電漿刻蝕（plasma etching）一部分嵌入於聚合物的奈米管。 方法七 石墨的聲波處理法 這方法包含分散在合適的液體介質中的石墨，然後被超音波處理。通過離心分離，非膨脹石墨最終從石墨烯中被分離。這種方法是由Hernandez等人首次提出，他得到的石墨烯濃度達到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然後，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在義大利的阿爾貝托·馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。Mariani等人達到在NMP中的濃度為2.1mg/ml（在該溶劑中是最高的）。同一小組發表的最高的石墨烯的濃度是在已報告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質用於石墨剝離；在此培養基中獲得了非常高的濃度為5.33mg/ml。

重要性質 在發現石墨烯以前，大多數（如果不是所有的話）物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚體物理學學術界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但是單層石墨烯在實驗中被製備出來。這些可能歸結於石墨烯在奈米級別上的微觀皺紋。 石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾效應。其霍爾電導=2e²/h,6e²/h,10e²/h....為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為「電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量」。 2007年，先後三篇文章聲稱在石墨烯的p-n或p-n-p結構中觀察到了分數量子霍爾效應行為。物理理論家已經解釋了這一現象。2009年，美國兩個實驗小組分別在石墨烯中觀測到了填充數為1/3的分數量子霍爾效應。日前，海姆教授對於石墨烯研究進展和未來展望撰寫了文章

應用 石墨烯具備眾多獨特的性能，如導電性、散熱性、透光性及優良的機械性能，它在下一代電晶體、透明導電膜、儲能技術、化學感測器、功能複合材料等與人類生產、生活息息相關的領域應用前景廣闊，被認為是目前世上最薄、最堅硬的奈米材料 Ex: 單分子氣體偵測 石墨烯奈米帶 集成電路 石墨烯電晶體 透明導電電極 導熱材料/熱介面材料 場發射源及其真空電子器件 超級電容器 海水淡化 太陽能電池 石墨烯生物器件 抗菌物質…….等

心得 石墨烯的發現對人類的航太以及建築上有了非常大的躍進，他所製成的奈米碳管提供了強大的韌度以及硬度，但是它的重量卻是其他材料的好幾倍輕，他也可以製成現在討論熱烈的可彎式觸控螢幕，而其強大的導電能力能使現今的電晶體變得更加輕盈效能更高，但是現今的技術還無法讓其生產價格壓低到能夠應用到工業上，但是相信在不久之後，石墨烯能夠成為生活上不可或缺的東西。

參考資料 維基百科