石墨烯研发工程师培训课件

石墨烯是一种广为人知的二维碳同素异形体，与地球上发现的任何材料一样，用途广泛。它作为最轻、最坚固的材料，其惊人的性能，与它比其他任何东西都更能导热和导电的能力相比，意味着它可以集成到大量的应用中。起初这意味着石墨烯用于帮助改善当前的材料和物质的性能和效率,但在未来还将开发与其他二维(2 d)晶体创造一些更神奇的化合物,以适应一个更广泛的应用。要了解石墨烯的潜在应用，首先必须了解材料的基本特性。

第一次人工合成石墨烯;科学家们真的把一片石墨一层一层地解剖，直到只剩下一层。这个过程被称为机械剥落。由此产生的石墨单层(称为石墨烯)只有1个原子厚，因此是最薄的材料，当它对元素(温度、空气等)开放时不会变得不稳定。因为石墨烯是只有一个原子厚度,可以创建其他材料由不合时宜的插入石墨烯层与其他化合物(例如,石墨烯的一层,一层的另一个化合物,其次是另一层石墨烯,等等),有效地使用石墨烯作为原子脚手架的设计的其他材料。这些新创造的化合物也可能是顶级材料，就像石墨烯一样，但可能有更多的应用。

在石墨烯的发展和其特殊性质的发现之后，人们对其他二维晶体的兴趣大大增加，这并不奇怪。这些其他二维晶体(如氮化硼、二烯化铌和硫化钽)可以与其他二维晶体结合使用，应用范围几乎是无限的。所以，举个例子，如果你用复合二硼化镁(MgB2)，它被认为是一种相对高效的超导体，然后在它的硼镁交替原子层中加入单独的石墨烯层，它作为超导体的效率就会提高。或者,另一个例子是在结合矿物辉钼矿(监理),它可以用作半导体,与石墨烯层(石墨烯是一个奇妙的导体)在创建NAND闪存,开发闪存小得多,比现有技术更灵活,(以一组研究人员已经证明在洛桑联邦理工(EPFL)在瑞士)。

石墨烯唯一的问题是，高质量的石墨烯是一种没有带隙(无法关闭)的伟大导体。因此，为了在未来的纳米电子器件中使用石墨烯，需要在石墨烯中设计一个带隙，从而将其电子迁移率降低到目前在应变硅薄膜中看到的水平。这本质上意味着未来需要进行研究和开发，以便石墨烯在未来取代硅用于电力系统。然而，最近几个研究小组已经表明，这不仅是可能的，而且是可能的，我们正在看几个月，而不是几年，直到这至少在基本水平上实现。有些人说，这类研究应该避免，因为它类似于把石墨烯变成它不是的东西。

无论如何，这两个例子只是一个研究领域的冰山一角，而石墨烯是一种可以应用于许多学科的材料，包括但不限于:生物工程、复合材料、能源技术和纳米技术。

生物工程必将是石墨烯在未来成为重要组成部分的领域;尽管在使用它之前有些障碍需要克服。目前的估计表明,它不会是直到2030年,当我们将开始看到石墨烯广泛应用于生物应用程序作为我们仍然需要了解其生物相容性(和它必须经历许多安全、临床试验和监管,简单地说,将会花费很长的时间)。然而，它所显示的特性表明，它可能在许多方面给这一领域带来革命性的变化。石墨烯具有较大的表面积、高导电性、薄度和强度，将成为开发快速高效的生物电传感设备的良好候选材料，能够监测葡萄糖水平、血红蛋白水平、胆固醇甚至DNA测序。最终，我们甚至可能看到经过设计的“有毒”石墨烯，它可以用作抗生素甚至抗癌治疗。此外，由于其分子组成和潜在的生物相容性，它可以用于组织再生过程中。

我们将很快开始看到石墨烯用于商业规模的一个特殊领域是光电子领域;特别是触摸屏、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(oled)。的材料可以用于光电应用程序,它必须能够传输超过90%的光和也提供电子导电性能超过1 x 106Ω1m1因此低电阻。石墨烯是一种几乎完全透明的材料，能够通过光学传输高达的光。正如我们之前提到的，它的导电性也很高，因此它在智能手机、平板电脑、台式电脑和电视的液晶触摸屏等光电子应用中非常好用。

目前应用最广泛的材料是氧化铟锡(ITO)，在过去几十年ITO制造技术的发展，使得ITO材料能够很好地应用于这一领域。然而，最近的测试表明，石墨烯有潜力与ITO的性能相匹配，即使是在当前(相对不发达的)状态下。此外，最近的研究表明，通过调整费米能级可以改变石墨烯的光学吸收。虽然这听起来不像是对ITO的很大改进，但石墨烯显示出了额外的性能，通过用石墨烯取代ITO，可以在光电子领域开发出非常聪明的技术。高质量石墨烯具有很高的抗拉强度和柔性(弯曲半径小于可滚动电子纸所需的5-10mm)，这一事实几乎不可避免地使其很快将被用于上述应用。

就潜在的实际电子应用而言，我们最终有望看到基于石墨烯的电子纸等设备能够显示交互式和可更新的信息，以及包括便携式电脑和电视在内的柔性电子设备。

“石墨烯是一种可用于多种学科的材料，包括但不限于：生物工程，复合材料，能源技术和纳米技术。”

石墨烯的另一个突出特性是，虽然它允许水通过它，但它几乎完全不受液体和气体（即使是相对较小的氦分子）的影响。这意味着石墨烯可以用作超滤介质，作为两种物质之间的屏障。使用石墨烯的好处是它只有1个单原子厚度，并且还可以作为屏障开发，以电子方式测量2种物质之间的应变和压力（在许多其他变量中）。哥伦比亚大学的一组研究人员设法制造了孔径小至5nm的单层石墨烯过滤器（目前，先进的纳米多孔膜的孔径为30-40nm）。虽然这些孔径非常小，但由于石墨烯很薄，因此超滤过程中的压力降低。联合目前，石墨烯比氧化铝强得多且不易碎（目前用于低于100nm的过滤应用）。这是什么意思？嗯，这可能意味着石墨烯被开发用于水过滤系统，海水淡化系统以及高效且经济上更可行的生物燃料创造。

石墨烯坚固，坚硬，非常轻盈。目前，航空航天工程师正在将碳纤维纳入飞机的生产中，因为它也非常坚固和轻便。然而，石墨烯更强，同时也更轻。最终，预计石墨烯被利用（可能集成到塑料中，如环氧树脂），以创造一种材料，可以取代飞机结构中的钢材，提高燃料效率，范围和减轻重量。由于其导电性，它甚至可以用于涂覆飞机表面材料，以防止雷击造成的电气损坏。在该示例中，相同的石墨烯涂层也可用于测量应变率，通知飞行员飞机机翼所处的应力水平的任何变化。

提供非常低的光吸收水平（约为白光的％）同时还提供高电子迁移率意味着石墨烯可用作光伏电池制造中硅或ITO的替代物。硅目前广泛用于光伏电池的生产，但是虽然硅电池的生产成本非常高，但基于石墨烯的电池可能要少得多。当诸如硅的材料将光转化为电能时，它会为每个产生的电子产生光子，这意味着许多潜在的能量会因热量而损失。最近发表的研究证明，当石墨烯吸收光子时，它实际上会产生多个电子。此外，虽然硅能够从某些波长的光带发电，但石墨烯能够在所有波长上工作，这意味着石墨烯具有与硅，ITO或（也广泛使用的）砷化镓一样高效的潜力。柔韧薄，意味着石墨烯基光伏电池可用于服装; 帮助为手机充电，甚至用作复古光伏窗户或窗帘，为家庭供电。

正在进行高度研究的一个研究领域是储能。虽然过去几十年来电子产品的所有领域都在以非常快的速度发展（参考摩尔定律，该法律规定电子电路中使用的晶体管数量将每两年增加一倍），但问题始终是存储能量不使用时，请使用电池和电容器。这些能量存储解决方案的发展速度要慢得多。问题在于：电池可能会占用大量能量，但充电可能需要很长时间，另一方面，电容器可以非常快速地充电，但不能保持那么多能量（相对来说） ）。

目前，科学家正致力于提高锂离子电池的性能（通过将石墨烯作为阳极），以提供更高的存储容量，并具有更好的寿命和充电速率。此外，正在研究和开发石墨烯以用于制造超级电容器，其能够非常快速地充电，并且还能够存储大量电力。基于石墨烯的微超级电容器可能会被开发用于智能电话和便携式计算设备等低能耗应用，并且可能在未来5到10年内在商业上可用。石墨烯增强型锂离子电池可以用于更高能耗的应用，例如电动车辆，或者它们可以用作智能手机中的锂离子电池，

文章转载自公众号:石墨烯雷达

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的，说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外，石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化，其不但对载流子的浓度进行改变，同时可以掺杂不同的石墨烯。传感器石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。晶体管石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的硅晶体管。柔性显示屏消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示，这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后，他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。新能源电池新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。海水淡化石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后，可形成约纳米宽的通道，小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐份。储氢材料石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点，使之成为储氢材料的最佳候选者。航空航天由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年，美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。感光元件以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过特殊结构，让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍，而且损耗的能源也仅需原本10%。可应用在监视器与卫星成像领域中，可以应用于照相机、智能手机等。

其实这是补充：说到坚固方面，石墨烯是人类已知强度最高的物质，所以在包装袋这方面也是有很大前景的。在纳电子器件方面的应用2005年，Geim研究组[3 J与Kim研究组H 发现，室温下石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0．3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。代替硅生产超级计算机科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。 [2]基因电子测序由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。[4][5]减少噪音美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。其它应用石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的万英里长太空电梯成为现实。2012-02-072石墨烯用途： 1、制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速度更快、能耗降低。 2、制造“太空电梯”的缆线。科学家幻想将来太空卫星要用缆线与地面联接起来，那时卫星就成了有线的风筝，科学家现在终于找到了可以制造这种太空缆线的特殊材料，这就是石墨烯。 3、可作为液晶显示材料。石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏。 4、制造新一代太阳能电池。石墨烯透明导电膜对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性，是转换效率非常高的新一代太阳能电池最理想材料。 5、制造光子传感器。去年10月，IBM的一个研究小组首次展示了他们研制的石墨烯光电探测器。 6、制造医用消毒品和食品包装。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗菌服装、床上用品等。 7、创制“新型超强材料”。石墨烯与塑料复合，可以凭借韧性，兼具超薄、超柔和超轻特性，是下一代新型塑料。 8、石墨烯适合制作透明触摸屏、透光板。 9、制造晶体管集成电路。石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。 10、制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，具有军事用途

1、防锈

石墨烯不溶于水，可以与聚合物混合作为防锈涂层

2、扬声器

石墨烯通过传输电流产生的热能而发声。

3、超级电容

配备石墨烯超级电容的电脑芯片有望淘汰电池。

4、清理放射性废弃物

石墨烯的氧化物微粒同放射性污染物结合可以使核废料清除变得安全、便宜。

5、柔性电子线路

第一个石墨烯集成电路由IBM研发人员成功研制。

硅半导体芯片赋予计算机智能。它可以处理构成数字信息的基本单元的二进制代码为1s和0s。石墨烯比硅具有更好的导电性，它使用更少的电力，产生更少的热量，因此石墨烯在处理这些1s和0s极有可能比硅快得多。

6、人工肌肉

一层固定在聚合物上的石墨烯在有电流通过时会产生褶皱和伸展。

7、探测爆炸物

石墨烯泡沫可探测低浓度爆炸物。

8、DNA 测序

石墨烯制成的泡沫过滤器可以用于DNA测序

9、防弹背心

石墨烯和碳纳米管复合纤维比通常用于制备防弹背心的凯夫拉纤维具有更高的强度。

10、夜视

利用单层石墨烯作为底片，并在底片上添加硫化铅晶体，即可制成一个兼具高灵敏性和高柔韧性的夜视光电探测器。

扩展资料

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。

他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。

参考资料来源：百度百科-石墨烯

石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子构成的晶体。当把石墨片通过物理或化学方法剥成单层之后，这种只有一个单原子层的石墨薄片称为单碳层石墨烯。不要看它薄，它的硬度甚至比钢铁要高几百倍！

因为薄，所以石墨烯具有良好的透光性，以肉眼来看，完全可以说它是透明的。同时，由于石墨烯具有良好的强度、柔韧度、导电导热性能，为新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等七大应用领域带来了巨大的改变。

2017年数据

我国对石墨烯领域的研究与开发也较早就给予了关注。根据统计，我国石墨储量占全球的70%以上，石墨烯研发应用水平也与发达国家基本同步。与此同时，国家还资助了大量有关石墨烯的基础研究项目。

因为石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，具有非常好的热传导性能，所以它也被大量运用在全新的采暖行业。

科学家安德列·海姆与康斯坦丁·诺沃

和常规发热膜一样，石墨烯需要通电才能发热，当在石墨烯发热膜两端电极通电的情况下，电热膜中的碳分子在电阻中产生声子、离子和电子，由产生的碳分子团之间相互摩擦、碰撞(也称布朗运动)而产生热能，热能又通过控制远红外线以平面方式均匀地辐射出来。

石墨烯通电后，有效电热能总转换率达99%以上，同时加上特殊的超导性，保证发热性能的稳定。但是与常规金属丝发热膜不同的地方在于，发热稳定安全，而且散发出来的红外线被称为“生命光线”。

乐福之家工厂图

综上所述，石墨烯材料非常适合应用于新型采暖行业，30min左右的升温速度，全程无音无噪无扬尘，使人体在采暖过程中更加舒适，便捷。