了得網自然科學_石墨烯的結構與基本性質

編輯推薦

石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個傳奇，也是當今橫跨學術界和產業界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當然，石墨烯是當之無愧的。作為由單層碳原子構成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導電性和導熱性較好的材料，也是理想的輕質高強材料。正因如此，一經問世便吸引了全球範圍的關注。石墨烯有可能創造一個全新的產業，石墨烯產業將成為未來全球高科技產業競爭的高地，這一點已經成為國內外學術界和產業界的共識。從2004年至今，已經有了近十六年的歷史沉澱。無論是石墨烯的基礎研究，還是石墨烯材料的產業化實踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個全方位套叢書出的、科學的、理性的認識。總結歷史，是為了更好地走向未來。對於新興的石墨烯產業來說，戰略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實上，國內外已經出版了數十部石墨烯相關書籍，其中不乏經典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結石墨烯相關的知識積累，反映石墨烯領域的國內外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產業化現狀與發展前景，尤其希望能夠充分體現國人對石墨烯領域的貢獻。本叢書共包括22分冊，執筆作者20餘位，都是石墨烯領域的重量級學者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業性和科學性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質和表征技術，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領域的應用，以及石墨烯產品的計量檢測標準等全方位的知識總結。同時，兩份產業研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產業發展現狀和未來發展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關問題答疑解惑，去偽求真。本叢書的內容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的繫統性、知識性、專業性和即時性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產業的健康發展有所助益。1. “戰略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”國家重點出版物出版規劃項目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質與表征技術、石墨烯的制備技術和計量標準、石墨烯的分類應用、石墨烯的發展現狀報告、石墨烯科普知識等五大部分共22分冊構成，本書為第01分冊。2. 叢書由我國石墨烯研究領域的主要開拓者及我國石墨烯發展的重要推動者、北京大學教授、北京石墨烯研究院創院院長劉忠範院士親自策劃並擔任總主編。本書從石墨烯的發展史出發，深入淺出地介紹了石墨烯的結構、特性、制備方法、化學修飾與功能化、微結構調控、組裝技術以及組裝體在能量轉換和儲存等方面的應用。3.全書采用80克雅質紙，彩色印刷，清晰直觀地展現了石墨烯的結構、模擬及表征結果。戰略前沿新材料——石墨烯出版工程書目：01-石墨烯的結構與基本性質02-石墨烯表征技術03-石墨烯材料的拉曼光譜研究04-石墨烯制備技術05-石墨烯的化學氣相沉積生長方法06-粉體石墨烯材料的制備方法07-石墨烯的質量技術基礎：計量08-石墨烯電化學儲能技術09-石墨烯超級電容器10-石墨烯微電子與光電子器件11-石墨烯透明導電薄膜與柔性光電器件12-石墨烯膜材料與環保應用13-石墨烯基傳感器件14-石墨烯宏觀材料及其應用15-石墨烯復合材料16-石墨烯生物技術17-石墨烯化學與組裝技術18-功能化石墨烯及其復合材料19-石墨烯粉體材料：從基礎研究到工業應用20-全球石墨烯產業研究報告21-中國石墨烯產業研究報告22-有問必答：石墨烯的魅力

內容簡介

本書詳細介紹了石墨烯的結構與基本性質,對石墨烯的發展歷史、電學性質、光學性質、熱學性質、力學性質、化學性質、磁學性質、帶隙、異質結、復合結構及電學可調性等各個方面進行了介紹。本書可作為高等學校材料相關專業本科高年級學生、研究生的學習用書,以及教師、科技工作者和企業專業技術人員的參考書,尤其對從事石墨烯材料研究的科研人員將具有很好的指導意義。

作者簡介

劉開輝，北京大學特聘研究員，國家優秀青年科學基金獲得者，北京市傑青基金獲得者。2004年本科畢業於北京師範大學物理繫。2009年在中國科學院物理研究所獲理學博士學位。2009年至2014年在美國加州大學伯克利分校物理繫從事博士後工作。2014年被聘為北京大學物理學院研究員，博士生導師。從事界面調控二維材料生長動力學和物性的研究，特別關注發展全新科學技術手段以解決新的科學問題。發展了單個低維水平的納米光譜學、原位透射電鏡、化學氣相沉積結合技術，在理解單個低維材料的生長、結構和性質的直接對應關繫，揭露低維凝聚態物理中的新穎規律和材料生長機理中開展了繫列工作，在二維單晶材料超快生長設計、米級單晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光譜學研究等方向取得了多項研究成果。

第 1 章石墨烯的結構及其發現歷史 001
1.1 石墨烯的發現歷史 003
1.1.1 二維材料的熱力學不穩定性 004
1.1.2 從薄層石墨到石墨烯的發現 005
1.1.3 石墨烯引起的研究熱潮 007
1.2 石墨烯的晶體學結構 011
1.2.1 石墨烯的基本結構 011
1.2.2 石墨烯的 TEM 表征結果 012
1.2.3 石墨烯的 STM 表征結果 013
1.3 石墨烯的電子能帶結構 014
1.3.1 石墨烯的緊束縛近似理論 014
1.3.2 石墨烯的 ARPES表征結果 016
1.3.3 石墨烯的 STS表征結果 016
1.4 本章小結 017

第 1 章石墨烯的結構及其發現歷史 001
1.1 石墨烯的發現歷史 003
1.1.1 二維材料的熱力學不穩定性 004
1.1.2 從薄層石墨到石墨烯的發現 005
1.1.3 石墨烯引起的研究熱潮 007
1.2 石墨烯的晶體學結構 011
1.2.1 石墨烯的基本結構 011
1.2.2 石墨烯的 TEM 表征結果 012
1.2.3 石墨烯的 STM 表征結果 013
1.3 石墨烯的電子能帶結構 014
1.3.1 石墨烯的緊束縛近似理論 014
1.3.2 石墨烯的 ARPES表征結果 016
1.3.3 石墨烯的 STS表征結果 016
1.4 本章小結 017
第 2 章石墨烯的電學性質 019
2.1 石墨烯的超高載流子遷移率 021
2.1.1 石墨烯遷移率的測量方法 021
2.1.2 石墨烯中電子傳輸及散射 023
2.1.3 石墨烯的遷移率 023
2.2 量子霍爾效應 031
2.2.1 霍爾效應和傳統量子霍爾效應 031
2.2.2 單層石墨烯中的半整數量子霍爾效應 034
2.2.3 雙層石墨烯中的反常量子霍爾效應 037
2.2.4 石墨烯中的分數量子霍爾效應 038
2.3 Klein隧穿 041
2.4 本章小結 043
第 3 章石墨烯的光學性質 045
3.1 石墨烯的光吸收 047
3.2 石墨烯的非線性光學性質 050
3.3 石墨烯表面 055
3.3.1 石墨烯表面的基本原理與性質 056
3.3.2 石墨烯表面的觀測 059
3.3.3 石墨烯表面的應用 062
3.4 本章小結 064
第 4 章石墨烯的熱學性質 067
4.1 石墨烯的聲子色散關繫 069
4.2 石墨烯的拉曼光譜 072
4.3 石墨烯熱容 078
4.3.1 杜隆珀替定律 078
4.3.2 二維晶格德拜模型 078
4.4 石墨烯熱膨脹 081
4.5 石墨烯熱導 083
4.6 石墨烯熱管理 086
4.7 本章小結 094
第 5 章石墨烯的力學性質 095
5.1 石墨烯的力學特性 097
5.1.1 石墨烯的不平整性和熱力學穩定性 097
5.1.2 石墨烯的楊氏模量 098
5.1.3 石墨烯的位錯和晶界 100
5.1.4 提高石墨烯的力學性能 102
5.2 石墨烯的應變 103
5.2.1 應變對石墨烯帶隙的影響 103
5.2.2 應變增強石墨烯中電子聲子耦合 105
5.2.3 應力調控石墨烯表面雜質原子的自組裝 106
5.3 石墨烯的摩擦 108
5.4 本章小結 111
第 6 章石墨烯的化學性質 113
6.1 石墨烯的不可穿透性 115
6.1.1 石墨烯在海水淡化領域的應用 115
6.1.2 石墨烯在處理原油洩漏領域的應用 117
6.1.3 石墨烯在 DNA 領域的應用 119
6.2 石墨烯的化學惰性 121
6.3 石墨烯基的催化特性 125
6.3.1 早期的發展和近期的進展 126
6.3.2 通過摻雜提高催化活性 128
6.3.3 通過分子復合提高催化活性 128
6.3.4 通過控制三維架構提高催化活性 129
6.4 本章小結 130
第 7 章石墨烯的磁學（自旋）性質 131
7.1 石墨烯與磁學簡述 133
7.1.1 磁學概述 133
7.1.2 磁性 134
7.1.3 磁性分類 134
7.2 在石墨烯中引入磁性的方法 137
7.2.1 點缺陷引入磁性 137
7.2.2 線缺陷對磁性的影響 139
7.2.3 近鄰效應引入磁性 139
7.2.4 原子吸附引入磁性 140
7.3 探測石墨烯中的磁性 142
7.4 石墨烯中的熱電自旋電壓 144
7.5 本章小結 145
第 8 章石墨烯的帶隙 147
8.1 破壞石墨烯的晶格或化學結構打開帶隙 150
8.1.1 通過引入摻雜打開帶隙 150
8.1.2 通過吸附原子打開帶隙 150
8.1.3 通過引入周期性缺陷打開帶隙 152
8.1.4 通過引入限制打開帶隙 154
8.1.5 通過其他化學處理打開帶隙 155
8.2 不破壞石墨烯的晶格或化學結構打開帶隙 155
8.2.1 通過加外加電場打開帶隙 156
8.2.2 通過襯底影響打開帶隙 157
8.2.3 通過襯底形成摩爾條紋(MoirPattern)打開帶隙 158
8.2.4 通過自旋軌道耦合效應打開帶隙 160
8.2.5 通過外加應力打開帶隙 161
8.2.6 通過電子多體相互作用效應打開帶隙 162
8.3 本章小結 162
第 9 章石墨烯電學可調性質 163
9.1 石墨烯的基本電學和光學特性 165
9.2 石墨烯導電性調節 168
9.2.1 石墨烯費米能級的調節 169
9.2.2 石墨烯帶隙的調節 172
9.3 石墨烯 pn結和石墨烯晶體管 174
9.3.1 石墨烯 pn結 174
9.3.2 石墨烯晶體管 183
9.4 石墨烯的電光調制 187
9.5 石墨烯的光電探測 196
9.6 石墨烯的光發射 203
9.7 本章小結 204
第 10 章石墨烯異質結構 207
10.1 石墨烯垂直異質結 210
10.1.1 石墨烯/氮化硼異質結 210
10.1.2 石墨烯/過渡金屬硫族化合物異質結 214
10.1.3 石墨烯/其他二維材料 218
10.1.4 石墨烯/一維、零維材料異質結 219
10.2 石墨烯面內異質結 220
10.2.1 石墨烯/氮化硼異質結 220
10.2.2 石墨烯/過渡金屬硫族化合物異質結 221
10.3 本章小結 222
第 11 章石墨烯復合結構 225
11.1 石墨烯的原子摻雜 227
11.1.1 氮摻雜石墨烯 227
11.1.2 硼摻雜石墨烯 229
11.1.3 硼氮共摻雜石墨烯 232
11.1.4素摻雜石墨烯 236
11.2 石墨烯的化學修飾 237
11.2.1 氧化石墨烯 237
11.2.2 石墨烯的氫化 239
11.2.3 石墨烯的氟化 244
11.2.4 其他石墨烯表面功能化 246
11.2.5 石墨烯表面吸附 249
11.3 本章小結 252
參考文獻 253
索引 265

前言

石墨烯是由碳原子構成的二維蜂窩狀結構的單原子層晶體材料,它的每個碳原子以共價鍵形式與鄰近的三個碳原子相結合。石墨烯具有狄拉克錐形的電子能帶結構,在狄拉克點附近是獨特的線性能量色散關繫,屬於無質量的狄拉克費米子材料繫統。 2004年英國的 AndreGeim 和 KonstantinNovoselov等發現,石墨烯不僅可以穩定地存在於襯底上,而且表現出非常優越的物理性質。Geim 和 Novoselov兩位教授也因為在石墨烯的發現和性質研究中做出了突出貢獻,從而獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯集諸多優異性質於一身,使其在電子信息、能源、功能材料、生物醫藥、航空航天、節能環保及其他眾多領域都有著非常重要的潛在應用前景。特別是在國家層面上,《中國制造2025》和《新材料產業“十三五”發展規劃》等都已經將石墨烯列入戰略前沿材料之屬。經過近十五年的研究和發展,石墨烯正從實驗室慢慢走向社會,逐漸成為一種有可能改變社會的新材料。“工欲善其事必先利其器”,在我國當前轟轟烈烈的石墨烯研究浪潮中,作者從自身的研究出發編纂了此書,詳細介紹了石墨烯材料的結構和基本性質,對石墨烯的發展歷史、電學性質、光學性質、熱學性質、力學性質、化學性質、磁學性質、帶隙、異質結、復合結構及電學可調性等各個方面進行了介紹。受限於知識的廣度和深度以及石墨烯領域研究的快速發展,本書並未能包括石墨烯所有重要的性質。希望本書的有限篇幅可以幫助初學者快速了解石墨烯是什麼,同時可以拓寬讀者的研究方向之外的視野。此作成書過程中,多位從事石墨烯相關研究的科研人員全程參與資料整理、研討和文字編輯。具體包括,劉開輝統籌全局,負責本書整體框架、內容設計,並參與了全文內容的撰寫;徐小志參與1/6/8/12章;洪浩參與第2章;姚鳳蕊參與第3章;馬赫參與第4章;程陽參與第5章;張志斌參與第7章;周旭參與第9章;張智宏參與第2章和10章以及吳慕鴻參與11章。在此,特別感謝各位參與人員的辛苦付出! 由於筆者個人經歷和研究水平有限,不妥之處敬請讀者批評指正,以便今後修改增補。編寫者 2019年9月

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