本書詳細介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì),對石墨烯的發(fā)展歷史、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、帶隙、異質(zhì)結(jié)、復(fù)合結(jié)構(gòu)及電學(xué)可調(diào)性等各個方面進行了介紹。
本書可作為高等學(xué)校材料相關(guān)專業(yè)本科高年級學(xué)生、研究生的學(xué)習(xí)用書,以及教師、科技工作者和企業(yè)專業(yè)技術(shù)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(dǎo)意義。
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(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)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(gòu)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的材料，也是理想的輕質(zhì)高強材料。正因如此，一經(jīng)問世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個全新的產(chǎn)業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來全球高科技產(chǎn)業(yè)競爭的高地，這一點已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識。
從2004年至今，已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎(chǔ)研究，還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)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(xué)的、理性的認識�？偨Y(jié)歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，戰(zhàn)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(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書籍，其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識積累，反映石墨烯領(lǐng)域的國內(nèi)外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現(xiàn)國人對石墨烯領(lǐng)域的貢獻。
本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領(lǐng)域的重量級學(xué)者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學(xué)性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù)，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，以及石墨烯產(chǎn)品的計量檢測標準等全方位的知識總結(jié)。同時，兩份產(chǎn)業(yè)研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)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(guān)問題答疑解惑，去偽求真。
本叢書的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)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(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。
1. “戰(zhàn)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(guī)劃項目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質(zhì)與表征技術(shù)、石墨烯的制備技術(shù)和計量標準、石墨烯的分類應(yīng)用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報告、石墨烯科普知識等五大部分共22分冊構(gòu)成，本書為第01分冊。
2. 叢書由我國石墨烯研究領(lǐng)域的主要開拓者及我國石墨烯發(fā)展的重要推動者、北京大學(xué)教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長劉忠范院士親自策劃并擔(dān)任總主編。本書從石墨烯的發(fā)展史出發(fā)，深入淺出地介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù)以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲存等方面的應(yīng)用。
3.全書采用80克雅質(zhì)紙，彩色印刷，清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結(jié)構(gòu)、模擬及表征結(jié)果。
戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程書目：
01-石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)
02-石墨烯表征技術(shù)
03-石墨烯材料的拉曼光譜研究
04-石墨烯制備技術(shù)
05-石墨烯的化學(xué)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(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)：計量
08-石墨烯電化學(xué)儲能技術(shù)
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(dǎo)電薄膜與柔性光電器件
12-石墨烯膜材料與環(huán)保應(yīng)用
13-石墨烯基傳感器件
14-石墨烯宏觀材料及其應(yīng)用
15-石墨烯復(fù)合材料
16-石墨烯生物技術(shù)
17-石墨烯化學(xué)與組裝技術(shù)
18-功能化石墨烯及其復(fù)合材料
19-石墨烯粉體材料：從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用
20-全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告
21-中國石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告
22-有問必答：石墨烯的魅力
石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)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(jié)合。 石墨烯具有狄拉克錐形的電子能帶結(jié)構(gòu),在狄拉克點附近是獨特的線性能量色散關(guān)系,屬于無質(zhì)量的狄拉克費米子材料系統(tǒng)。 2004年英國的 AndreGeim 和 KonstantinNovoselov等發(fā)現(xiàn),石墨烯不僅可以穩(wěn)定地存在于襯底上,而且表現(xiàn)出非常優(yōu)越的物理性質(zhì)。Geim 和 Novoselov兩位教授也因為在石墨烯的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究中做出了突出貢獻,從而獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯集諸多優(yōu)異性質(zhì)于一身,使其在電子信息、能源、功能材料、生物醫(yī)藥、航空航天、節(jié)能環(huán)保及其他眾多領(lǐng)域都有著非常重要的潛在應(yīng)用前景。特別是在國家層面上,《 中國制造2025》和《 新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等都已經(jīng)將石墨烯列入戰(zhàn)略前沿材料之屬。 經(jīng)過近十五年的研究和發(fā)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(fā)編纂了此書,詳細介紹了石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),對石墨烯的發(fā)展歷史、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、帶隙、異質(zhì)結(jié)、復(fù)合結(jié)構(gòu)及電學(xué)可調(diào)性等各個方面進行了介紹。 受限于知識的廣度和深度以及石墨烯領(lǐng)域研究的快速發(fā)展,本書并未能包括石墨烯所有重要的性質(zhì)。 希望本書的有限篇幅可以幫助初學(xué)者快速了解石墨烯是什么,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(guān)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(tǒng)籌全局,負責(zé)本書整體框架、內(nèi)容設(shè)計,并參與了全文內(nèi)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! 由于筆者個人經(jīng)歷和研究水平有限,不妥之處敬請讀者批評指正,以便今后修改增補。
編寫者
2019年9月
劉開輝，北京大學(xué)特聘研究員，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，北京市杰青基金獲得者。2004年本科畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系。2009年在中國科學(xué)院物理研究所獲理學(xué)博士學(xué)位。2009年至2014年在美國加州大學(xué)伯克利分校物理系從事博士后工作。2014年被聘為北京大學(xué)物理學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師。從事界面調(diào)控二維材料生長動力學(xué)和物性的研究，特別關(guān)注發(fā)展全新科學(xué)技術(shù)手段以解決新的科學(xué)問題。發(fā)展了單個低維材料單元水平的納米光譜學(xué)、原位透射電鏡、化學(xué)氣相沉積結(jié)合技術(shù)，在理解單個低維材料的生長、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的直接對應(yīng)關(guān)系，揭露低維凝聚態(tài)物理中的新穎規(guī)律和材料生長機理中開展了系列工作，在二維單晶材料超快生長設(shè)計、米級單晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光譜學(xué)研究等方向取得了多項研究成果。
第 1 章 石墨烯的結(jié)構(gòu)及其發(fā)現(xiàn)歷史 001
1.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷史 003
1.1.1 二維材料的熱力學(xué)不穩(wěn)定性 004
1.1.2 從薄層石墨到石墨烯的發(fā)現(xiàn) 005
1.1.3 石墨烯引起的研究熱潮 007
1.2 石墨烯的晶體學(xué)結(jié)構(gòu) 011
1.2.1 石墨烯的基本結(jié)構(gòu) 011
1.2.2 石墨烯的 TEM 表征結(jié)果 012
1.2.3 石墨烯的 STM 表征結(jié)果 013
1.3 石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu) 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(jié)果 016
1.3.3 石墨烯的 STS表征結(jié)果 016
1.4 本章小結(jié) 017
第 2 章 石墨烯的電學(xué)性質(zhì) 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(yīng) 031
2.2.1 霍爾效應(yīng)和傳統(tǒng)量子霍爾效應(yīng) 031
2.2.2 單層石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng) 034
2.2.3 雙層石墨烯中的反常量子霍爾效應(yīng) 037
2.2.4 石墨烯中的分數(shù)量子霍爾效應(yīng) 038
2.3 Klein隧穿 041
2.4 本章小結(jié) 043
第 3 章 石墨烯的光學(xué)性質(zhì) 045
3.1 石墨烯的光吸收 047
3.2 石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì) 050
3.3 石墨烯表面等離激元 055
3.3.1 石墨烯表面等離激元的基本原理與性質(zhì) 056
3.3.2 石墨烯表面等離激元的觀測 059
3.3.3 石墨烯表面等離激元的應(yīng)用 062
3.4 本章小結(jié) 064
第 4 章 石墨烯的熱學(xué)性質(zhì) 067
4.1 石墨烯的聲子色散關(guān)系 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(dǎo) 083
4.6 石墨烯熱管理 086
4.7 本章小結(jié) 094
第 5 章 石墨烯的力學(xué)性質(zhì) 095
5.1 石墨烯的力學(xué)特性 097
5.1.1 石墨烯的不平整性和熱力學(xué)穩(wěn)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(xué)性能 102
5.2 石墨烯的應(yīng)變 103
5.2.1 應(yīng)變對石墨烯帶隙的影響 103
5.2.2 應(yīng)變增強石墨烯中電子 聲子耦合 105
5.2.3 應(yīng)力調(diào)控石墨烯表面雜質(zhì)原子的自組裝 106
5.3 石墨烯的摩擦 108
5.4 本章小結(jié) 111
第 6 章 石墨烯的化學(xué)性質(zhì) 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(lǐng)域的應(yīng)用 115
6.1.2 石墨烯在處理原油泄漏領(lǐng)域的應(yīng)用 117
6.1.3 石墨烯在 DNA 領(lǐng)域的應(yīng)用 119
6.2 石墨烯的化學(xué)惰性 121
6.3 石墨烯基的催化特性 125
6.3.1 早期的發(fā)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(fù)合提高催化活性 128
6.3.4 通過控制三維架構(gòu)提高催化活性 129
6.4 本章小結(jié) 130
第 7 章 石墨烯的磁學(xué)（自旋） 性質(zhì) 131
7.1 石墨烯與磁學(xué)簡述 133
7.1.1 磁學(xué)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(yīng)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(jié) 145
第 8 章 石墨烯的帶隙 147
8.1 破壞石墨烯的晶格或化學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)處理打開帶隙 155
8.2 不破壞石墨烯的晶格或化學(xué)結(jié)構(gòu)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(yīng)打開帶隙 160
8.2.5 通過外加應(yīng)力打開帶隙 161
8.2.6 通過電子多體相互作用效應(yīng)打開帶隙 162
8.3 本章小結(jié) 162
第 9 章 石墨烯電學(xué)可調(diào)性質(zhì) 163
9.1 石墨烯的基本電學(xué)和光學(xué)特性 165
9.2 石墨烯導(dǎo)電性調(diào)節(jié) 168
9.2.1 石墨烯費米能級的調(diào)節(jié) 169
9.2.2 石墨烯帶隙的調(diào)節(jié) 172
9.3 石墨烯 pn結(jié)和石墨烯晶體管 174
9.3.1 石墨烯 pn結(jié) 174
9.3.2 石墨烯晶體管 183
9.4 石墨烯的電光調(diào)制 187
9.5 石墨烯的光電探測 196
9.6 石墨烯的光發(fā)射 203
9.7 本章小結(jié) 204
第 10 章 石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu) 207
10.1 石墨烯垂直異質(zhì)結(jié) 210
10.1.1 石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié) 210
10.1.2 石墨烯/過渡金屬硫族化合物異質(zhì)結(jié) 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(zhì)結(jié) 219
10.2 石墨烯面內(nèi)異質(zhì)結(jié) 220
10.2.1 石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié) 220
10.2.2 石墨烯/過渡金屬硫族化合物異質(zhì)結(jié) 221
10.3 本章小結(jié) 222
第 11 章 石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu) 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 其他元素摻雜石墨烯 236
11.2 石墨烯的化學(xué)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(jié) 252
參考文獻 253
索引 265
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