东华理工大学毕业论文设计（论文） 综述
1.1.3石墨烯的性能
电学特性：石墨烯的电子迁移率令人惊讶的的非常高。英国的小组最先分离出石墨烯，并且测量了石墨烯分子的电子迁移率，室温下未除去杂质和衬底的石墨烯电荷迁移速率达到10000cm2/vs远远高于硅的电子迁移率1400 cm2/vs。当然在2008年，这个数据记录被毫无疑问的打破了。实验小组表示电荷在石墨烯中迁移速率可以到达前所未有的200000 cm2/vs。而不久之后，这个数值超过硅100倍以上达到250000 cm2/vs。石墨烯电荷的迁移率受温度影响较小，这在于晶格震动的强度与温度成正比，而晶格震动导致的散射作用发生传递过程同时导致电子迁移率降低。所以电子迁移率与温度成反比的关系。研究人员在50—500K之间测量电子迁移率，观察出电子迁移率在各种温度下大约都是15000 cm2/vs。从而得出结论，即石墨烯的晶格震动对电子散射很少，因而其电荷的电子迁移率几乎不随温度而改变。
石墨烯的高导电性在于其允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒，而在石墨烯中量子隧道效应时常发生，这又叫被做量子隧道效应。研究员们为了测定石墨烯的电导率，设计了一个实验。先在石墨烯晶体上施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定电导率。通常，势垒上升导致部分电子不能越过势垒，这样必定会使石墨烯晶体电导率下降。刚好相反。石墨烯中的所有粒子都发生了量子隧道效应导致了极高载流速率。
光几乎无法透过石墨烯：光透过石墨烯晶体后剩余97.7%。而体现了石墨烯中载荷子的相对论性。石墨烯中的电子没有静止质量而且速度与动能无关，这类似于光子。石墨烯中的电子速度与动能为一常数。没有静止质量这一特点的电子行为不符合薛定谔方程，符合狄拉克电子方程。
石墨烯在室温下观测到的的霍尔电导为量子电导的奇数倍。这个异常的整数量子霍尔行为被解释为“电子在石墨烯里没有静质量，从而遵守相对论量子力学”。
力学性质：石墨烯中各碳原子之间的连接相当的柔韧，碳原子面被施加外部机械力时不必重新排列就可以通过弯曲变形来适应外力，这样的性质保证了石墨烯结构的稳定性。现在世界上已知的材料中，石墨烯是最为牢固的材料。如果用石墨烯制成蛇皮袋，往里面装两吨重的物品都不会破裂。石墨烯每100 nm的距离上可承受的最大压力可达2.9 微牛左右。同时，石墨烯是人类已知强度最高的物质。石墨烯的强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，他比钻石还坚硬。
石墨烯在具有高柔韧性的同时，但却又具与高柔韧性相矛盾的脆性。石墨烯是隔绝气体的优良材料，因为他任何气体都无法通过石墨单层。源于石墨烯极小的尺寸和非电子效应，研究人员无法搞清楚也不知道它如何熔化的，熔点又是多少。
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热学特性：石墨烯是一种稳定材料。石墨烯的发现震撼了凝聚态物理界，因为物理学家基本都认为，热力学涨落导致二维晶体不能在有限温度下存在。石墨烯在纳米级别上的微观扭曲导致其可以在非绝对零度下稳定的存在。石墨烯结构非常稳定，碳单质中的碳原子按六边形晶格排布。从发现石墨烯到现在，还从未发现六边形晶格中的碳原子丢失或发生移位。为了保持结构的稳定性，碳原子通过弯曲变形来应对外部机械力，而且各个碳原子间的连接相当的柔韧，从而不需要重新排列来适应外力。
化学特性：石墨烯可以吸附和脱附各种粒子，比如原子和分子（例如：二氧化氮，氨，钾）。石墨烯的高导电性不会随着这些粒子导致的载流子浓度的变化而变化。还存在一些会导致导电性变差的如氢离子和氢氧根离子等衍生物。石墨烯吸附物的不同并不是新的化合物。功能化石墨烯的性质与普通石墨烯有所不同，未功能化的石墨烯薄片多孔、非常脆弱；致密氧化的石墨烯则坚硬强韧。除功能化外，石墨烯的化学性能可能在许多领域具有潜在的应用。
1.2石墨烯制备方法 1.2.1 化学气相沉积法
化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)是石墨烯的一种重要工艺技术。CVD是在气态条件下极高温度才能发生的化学反应，生成一些固态物质，我们把这些固态物质放置在加热的固态基体表面，从而制得固体材料。CVD是目前最广泛应用的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的技术。
化学气相沉积(CVD)法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求。由于CVD可制备出较大面积的石墨烯片，这也被认为是CVD最大的优点。CVD能够制备出单层或多层石墨烯，现阶段这些石墨烯的面积可达平方厘米级。但因CVD的控制加工条件要求精确、工艺复杂、成本较高导致了CVD法制备石墨烯发展缓慢。在跟多领域的应用上，有待进一步研究。
1.2.2外延生长法
外延生长法可以制备出单层和多层石墨烯薄片并用于研究。首先进行加热，为了脱除硅从而在6H-SiC单晶面上制取石墨烯。第一步，除掉表面的氧化物：电子轰击在表面经过H2蚀刻或氧化后的样品放置在在高真空下加热到1000 °C，反复重复这一步去除氧化物来达到改善表面质量的目的。第二步，确认氧化物被完全去除，用俄歇电子能谱
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检测上一步氧化物。最后，将氧化物升温至1250-1450 °C，恒温1-20 min。在硅表面的石墨薄片生长缓慢并且在达到高温后很快终止生长，而在C表面的石墨薄片并不受限，其厚度可达100层以下5层以上。两种石墨烯薄片的最终厚度都由电子轰击导致的氧化物温度决定。
这种方法可以得到两种石墨烯，两者在很高的程度上均受SiC 衬底的影响。其中一种是生长在Si 层上的石墨烯，由于接触Si 层，其导电性能受到较大影响,；另一种具有优良的导电能力的C 层上的石墨烯。然而，用外延生长法制备石墨烯需要在高温、高真空的条件下，这种条件非常苛刻，而且制得的石墨烯不容易从衬底上分离出来，不能用于大规模工业化生产石墨烯，只能用于实验室研究。
1.2.3 氧化石墨还原法
氧化石墨还原法制备石墨烯的制备步骤是：首先将石墨片分散在强氧化性混合酸中（例如：浓硝酸和浓硫酸）；然后制备氧化石墨(GO)水溶胶，将上一步样品加入高锰酸钾或氯酸钾强等氧化剂进行氧化；最后得到石墨烯，利用超声处理的方法将得到氧化石墨烯再还原。这是目前最常用的石墨烯制备工艺。
石墨氧化过程形成了非常多的即使经1100 °C退火也不能完全消除的结构缺陷，而石墨又是一种憎水性物质。而GO是一种亲水性物质，因为GO表面和边缘存在大量的亲水性的羟基、羧基、环氧等基团。GO由于存在这些官能团从而容易与其它试剂发生反应，得到改性的GO。另一方面，GO层间距在0.7~1.2nm之间，而原始石墨的层间距只有0.335nm，GO的层间距大于原始石墨的层间距。这有利于其它物质分子的插入GO层间。制备GO 的办法一般有3 种：Hummers 法、Brodie 法和Standenmaier 法。这三种GO制备方法有一个共同的特点：制备GO时都要先用强质子酸处理石墨，以形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂氧化GO。GO 还原的方法包括超临界水还原、微波还原等、氢电弧放电剥离、等离子体法还原、化学液相还原、光照还原、热还原、溶剂热还原。
GO氧化石墨还原法的有一个重大的缺陷：即石墨烯的电子结构和性质以及晶体的完整性受强氧化剂的影响极大，因而在某种程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。GO还原法不但成本较低而且高效环保，能够大规模工业化生产。
1.2.4机械剥离法
机械剥离法又被人们叫做微机械剥离法是一种最简单的石墨烯制备方法。机械剥离法便是从整块石墨晶体上直接剥离石墨烯薄片。2004年，Novoselovt等采用机械剥离法
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剥离并观测到单层石墨烯，第一步在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行氧等离子的离子刻蚀，当在表面刻蚀出微槽（微槽尺寸5 μm深、20 μm—2 mm宽）后，然后利用光刻胶将高定向热解石墨粘到玻璃衬底上，再反复撕揭透明胶带。得到样品后将多余的石墨去除得到粘有微片的玻璃衬底，将玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声。通过将单晶硅片利用范德华力或毛细管力将丙酮溶剂中的单层石墨烯“捞出”。通过这些实验验证了可以独立存在的单层石墨烯。
但是机械剥离法的缺点在于无法可靠地制备出长度足够的石墨烯即产物尺寸不易控制，所以机械剥离法不适合用在工业生产领域。
1.2.5取向附生法—晶膜生长
取向附生法—晶膜生长法的基本原理是使用稀有金属钌的原子结构作为生长基质“种”出石墨烯。这种方法的具体步骤：为了使C原子渗入钌中先加热样品到1150 °C再冷却至850 °C。钌在加热过程中吸收的大量碳原子就会在冷却过程中浮出表面，并在整个钌基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”随时间推移逐渐生长成完整的单层石墨烯。这样就制得了单层石墨烯薄片。第二层在第一层的覆盖率达80 %后开始生长。第二层形成后就前一层与基质差不多完全分离，因为底层的石墨烯与基质间的强烈的交互作用，所以层之间只剩下弱电耦合。
采用取向附生法—晶膜生长法生产的石墨烯薄片厚度不均匀，且基质与石墨层之间的黏合会影响最终产物石墨烯薄片的性质。
1.2.6液相和气相直接剥离法
液相和气相直接剥离法的方法比较简单不涉及化学变化，通过液相或气相溶剂在一定条件下使多层的石墨分裂成单层的石墨烯，这是一种机械的方法。这种剥离法直接往有机溶剂或水加入膨胀石墨(EG)或石墨，然后对这些溶液进行加热或超声波。得到一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。
由于液相和气相直接剥离法的制备过程不涉及化学变化，原料采用廉价的石墨或膨胀石墨，因而具有操作简单、成本低、产品质量高等优点。但是这种剥离法剥离出来的单层石墨片层团聚严重、产率较低，成品需进一步脱去稳定剂等缺陷才能正常使用。
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1.3石墨烯应用
1.3.1 石墨烯在催化中的应用
石墨烯可以作为担载催化剂的一个理想模板，由于其具有规整的二维表面结构。Mastal等研究了石墨烯纳米复合物催化剂：即Pd一石墨烯氧化物作为催化剂的性能，通过把Pd纳米颗粒固定到氧化石墨烯上。Pd一石墨烯氧化物催化剂对液相中乙炔加氢反应有很高的催化活性和选择性。
石墨烯由于其独特结构，可以用作催化剂的载体，其本身也具有一定的催化活性，也可以用于制备石墨烯的复合材料充当催化剂。由于石墨烯优异的电子结构和电子传输性能，使得其在光催化领域的研究得到了广泛的关注。石墨烯为基础的复合催化剂被广泛应用于催化水分解制氢。石墨烯及其氧化物、CdS与石墨烯类复合物、TiO与石墨烯类复合物、石墨烯类复合物与含氧金属酸盐等的光催化性能较好。石墨烯与纳米材料复合物的结构及光催化作用的机理都有待于进一步的探究。为了制得具有较高光催化水解制氢活性的催化剂，必须充分发挥石墨烯的二维平面的结构特性，才能提高催化活性。如果催化水分解制氢的效果显著提高，这无疑会引起水能源利用的变革。
石墨烯的二维平面结构可以作为一种2D的催化剂载体，为最大限度的利用Pt、Au的电催化活性，需要把Pt、Au纳米粒子均匀地分散在石墨烯上面形成Pt—Au石墨合金。这个过程中最关键的是引入聚(二甲基二烯丙基氯化)(PDDA)，其不仅充当“纳米反应器”，也有利于均匀Pt—Au负载纳米粒子的石墨。更重要的是，Pt—Au石墨具有较高的电催化活性促使甲酸氧化。
1.3.2石墨烯在太阳能电池中的应用
石墨烯具有无与伦比的韧性与透明度，而且其电子迁移率100倍比之于硅。石墨烯非常有可能成为ITO的替代材料，因为他良好的导电性和透光性。在太阳能发电领域，人们积极的研究如何利用石墨烯制作透明的导电膜并付诸于实际应用。
1.3.3石墨烯在电子方面的应用
室温下，石墨烯表现出亚微米尺度的弹道传输特性，相比于商用硅片的载流子迁移率104cm2／V·s，石墨烯载流子迁移率是商用硅片的10倍，而且石墨烯受掺杂效应和温度的影响很小。石墨烯基电子器件比一维纳米材料基电子器件的优点在于，用石墨烯
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