石墨烯:材料科学的地平线上冉冉升起的新星gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

石墨烯,一张单原子厚度的平面的spgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba结合碳原子用蜂巢晶格,被认为是所有石墨材料的母亲像富勒烯,碳纳米管和石墨。石墨烯创造了巨大的物理学家和化学家感兴趣是因为它的各种迷人的特性,观察和预测可能的潜在的应用在纳电子学、超级电容器、太阳能电池,电池、柔性显示、储氢和传感器。本文简要概述了石墨烯的各个方面,如合成、功能化,自组装,和它的一些惊人的属性及其各种应用程序从传感器到能源存储设备已经说明。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

自富勒烯的发现(CgydF4y2Ba_60gydF4y2Ba1985年由Kroto因为和他的同事()gydF4y2Ba1gydF4y2Ba],一些新型碳纳米材料已被孤立。1991年,发现了碳纳米管(CNT)与饭岛爱[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),而石墨烯,一种二维的石墨,孤立于2004年由曼彻斯特大学的诺沃肖洛夫等人,英国(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。石墨烯已经成为一个新的supermaterial由于其独特的物理性质。这个新型的二维碳纳米结构引起了巨大的关注都从基础研究和应用研究的角度在物理、化学和材料科学。今天,石墨烯是最具吸引力的纳米材料不仅因为它是宇宙中已知最薄的材料和最强大的测量,也由于其优良的电,热,机械、电子和光学性质。具有较高的比表面积,高的化学稳定性,高的光学透过率、高弹性、高孔隙度、生物相容性、可调带隙、易于化学功能化实际上有助于优化其属性(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。石墨烯表现出许多令人兴奋的特性,如半整数室温量子霍尔效应(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba),远程弹道运输几乎十倍的电子迁移率比硅(Si)、可用性的载体,表现为无质量相对准粒子(狄拉克费米子),和量子限制导致有限的带隙和库仑阻塞效应。表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba说明石墨烯的一些神奇的物理性质。这些非凡的石墨烯的属性可以用于制造许多新颖的电子设备如场效应晶体管(FET)、传感器、超级电容器。石墨烯的一个显著特征是,电子的能量是线性相关的波矢量在布里渊区附近的过境点。表现为无质量的相对论性粒子的电荷载体可以解释根据狄拉克方程而不是通常的薛定谔方程。虽然石墨烯有望持平,涟漪发生由于热波动。gydF4y2Ba

从石墨和石墨烯平面单表最理想的二维(2 d)结构的单层碳原子挤进一个蜂巢晶体平面(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示了碳原子在石墨烯的二维蜂窝状结构的高分辨率透射电子显微镜(TEM)的形象。TEM图像清晰地显示了与碳碳六角晶格距离0.14海里。石墨烯被认为是石墨材料的基本构建块的其他维度。它可以被包装成零维富勒烯(0 d),卷成一维(1 d)纳米管和叠加成三维(3 d)石墨。因此,石墨烯被称为石墨碳基纳米材料之母。图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba说明了原理图证明石墨烯是所有石墨形态的母亲。gydF4y2Ba

尽管一些评论文章已经写在石墨烯的各个方面,这些文章涵盖了广泛的synthesis-property-application相关性的石墨烯。也没有演示拉曼增强石墨烯作为潜在的衬底的这些评论文章。此外,石墨烯的各种应用程序没有在大多数的这些评论文章中描述的细节。gydF4y2Ba

本文的目的是提供更新的概述石墨烯的合成、历史背景,一些神奇的属性,和应用程序。由于空间限制,一个完整的审查所有的最近的工作在这个重要纳米材料是不可能的。然而,我只总结了几个有代表性的例子。在这个全面的纸,一直特别注意的潜在使用石墨烯作为能源存储设备储氢和超级电容器等。此外,它也表明,石墨烯可以作为拉曼增强的新小说衬底。gydF4y2Ba

2。石墨烯的历史背景和隔离gydF4y2Ba

从理论上讲,研究了石墨烯或二维石墨过去六十年(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]。然而,石墨烯是假定不存在自由状态和被认为是热力学不稳定对弯曲结构如烟尘的形成,富勒烯和碳纳米管。七十多年前,佩尔斯和朗道认为2 d晶体热力学不稳定,可能在自然界中不存在gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]。因此,人们认为石墨烯是不可分割的一部分,更大的三维结构,通常上生长外延单晶的晶体晶格匹配(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。没有这样的一个3 d基地,2 d材料应该是不存在的,直到2004年当石墨烯实验发现意外和意外诺沃肖洛夫et al。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。机械剥落了单层石墨烯是使用一种叫做微机械的技术开发劈理(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。通常,用透明胶剥离石墨烯从石墨片层,其次是紧迫的录音与衬底。在删除录音,一张石墨烯。这也被称为“透明胶带”或“剥离”的方法。后续实验证实,石墨烯的载流子的确实是无质量的狄拉克费米子。之后,其他独立的二维原子晶体,如获得了单层氮化硼的非结晶的衬底(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]。在单层石墨烯和氮化硼,二维晶体被发现不仅是连续的,而且表现出高晶体质量(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]。可以说,提取的二维微晶淬火在亚稳状态,因为他们是来自3 d材料,而他们的小尺寸(≪1毫米)和强劲的原子间化学键确保热波动不能导致混乱的生成或其他晶体缺陷甚至在高温下。gydF4y2Ba

在讨论石墨烯的合成方面,选择属性,重要的是定义二维晶体。一般来说,一个单一的原子平面二维晶体,而应该考虑超过100层薄膜的三维晶体。电子光谱可以用来区分2 d和3 d晶体。只有石墨烯及其双分子层简单的电子光谱。他们被认为是zero-bandgap半导体与电子和孔类型之一。三个或三个以上层的电子光谱本质上变得日益复杂的外观和重叠的几个载流子的价带和导带。显示的电子光谱,3 d限制可以接近10或更多层。没有质量的石墨薄片,大多数实验研究小组目前正在使用样本获得的微机械大部分石墨的乳沟。然而,有几个问题,研究人员正面临获得高质量的石墨烯。只有高度有序或面向热解石墨(石墨)反复奏出了使用透明胶沉积到硅衬底紧随其后。 However, yields of graphene are very poor and graphene crystallites left on a substrate are extremely rare and hidden in a multilayer of thousands of thick (graphite) flakes, which can be further characterized by atomic force microscope (AFM), optical microscope, and Raman techniques to provide conclusive evidence on the existence of high quality 2D carbon nanomaterials.

3所示。石墨烯的合成方面gydF4y2Ba

尽管在2004年,诺沃肖洛夫等人提取石墨烯高定向热解石墨的微机械劈理(透明胶封口方法)在小产量(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba),接下来的7到8年见证了几种不同的石墨烯的生产方法。Ritter和Lyding利用机械剥离法沉积单层石墨烯和影响最小的横向维度2 - 10纳米氢钝化硅(100)表面上(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。这些早期作品提供了机会来实验研究纳米石墨烯的电子结构,形成开发石墨烯纳电子学的基础。然而,低吞吐量的机械剥离法很大程度上限制了其大规模生产应用。因此,涉及石墨烯的高收益的替代方法是非常可取的。gydF4y2Ba

在文献中已报道的各种方法到目前为止合成石墨烯表包括机械乳沟的石墨gydF4y2Ba3gydF4y2Ba),测定碳纳米管(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),化学剥离的石墨gydF4y2Ba12gydF4y2Ba],solvothermal合成[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),外延生长碳化硅(SiC)表面和金属表面gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba),化学汽相淀积(CVD)碳氢化合物在金属表面gydF4y2Ba42gydF4y2Ba),自底向上的有机合成(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),获得的石墨烯氧化物的还原氧化石墨通过各种减少代理(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。最后提到的协议收益率只有化学改性石墨烯。gydF4y2Ba

另一方面,单和few-layer石墨烯化学蒸汽沉积外延生长的碳氢化合物在金属基板(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba]。这类影片表面科学技术研究了AFM和TEM等。直到最近,few-layer获得的石墨烯对SiC特征对其电子特性,揭示高机动运营商收费。单层石墨烯也可以合成碳化硅外延生长,在单晶碳化硅基板或商业多晶碳化硅颗粒之间在真空加热高温1200到1600°C。由于更高的硅/碳升华,多余的碳,表面留下,可以重新排列形成石墨烯。外延生长的石墨烯对电子应用程序提供了可能是唯一可行的途径。gydF4y2Ba

大面积和高质量的石墨烯也可以合成使用CVD技术等碳氢化合物的分解甲烷、乙烯、乙炔、苯和镍等基质(Ni)、铜(铜),钴(Co),钌(俄文)gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。射频等离子体增强化学蒸气系统被用来合成石墨烯等基质Si, W,密苏里州,锆、钛、铬、SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,艾尔。gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。这个过程减少了能源消耗,防止形成无定形碳和其他不需要的副产品。gydF4y2Ba

化学方法被认为是一个可伸缩的方法来获得大规模石墨烯。这种方法已广泛使用合成化学提取石墨烯。氧化石墨是第一个氧化石墨使用悍马方法(gydF4y2Ba44gydF4y2Ba)或修改的悍马方法(gydF4y2Ba45gydF4y2Ba在强烈的酸和氧化剂的存在。氧化石墨作为单独的石墨烯氧化物很容易脱落(去)表在水中声波降解法。去,一个字母的氧化形式,布置由羟基和环氧官能团的六角网络边缘碳原子与羧基团体。去是高度亲水并形成稳定的水胶体由于存在大量的含氧官能团和静电斥力gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。电绝缘,可以转化为导电石墨烯的化学还原过程。去容易中的声波降解法在水里。它也是有趣的,可以直接分散在一些极性溶剂如乙二醇、二甲基甲酰胺,gydF4y2BaNgydF4y2Ba-methylpyrrolidone,四氢呋喃。化学提取石墨烯可以减少之后获得的经历脱氧使用肼溶液或任何其他还原剂。已经有文献报道的减少在方案阶段使用不同的还原剂如肼、二甲肼,对苯二酚,乙二醇,硼氢化钠、硼氢化锂(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba45gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba),在汽相使用肼/氢或通过热退火gydF4y2Ba47gydF4y2Ba]。因此,是一个优秀的前体合成石墨烯nanosheets去。结果表明:few-layer石墨烯可以在温和的条件下获得使用抗坏血酸(gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]。Few-layer石墨烯也可以使用合成糖类如葡萄糖,果糖,蔗糖作为降低代理(gydF4y2Ba49gydF4y2Ba]。微波(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)、激光(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba),等离子体(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba],声化学的[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba)以及水热技术(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba)也被用来合成石墨烯从走。在水热技术(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba],超临界液体和水的行为起到还原剂的作用。去也可以减少光化学地采用紫外(UV)辐射合成石墨烯使用HgydF4y2Ba_3gydF4y2BaPWgydF4y2Ba_12gydF4y2BaOgydF4y2Ba_40gydF4y2Ba作为光催化剂(gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba]。萨拉斯和他的研究小组已经证明了,石墨烯已经产生的减少使用环境细菌作为电子供体(gydF4y2Ba50gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

石墨烯被加热产生金刚石在惰性气氛(gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]。在这个过程中,原始金刚石粉(颗粒大小4 - 6海里)在石墨炉加热氦气气氛在不同高温(1650、1850、2050、2200°C)一小时。Subrahmanyam教授和他的团队已经合成石墨烯的电弧蒸发石墨在氢的存在gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]。这个协议收益率与2 - 3层石墨烯片100 - 200纳米的大小。gydF4y2Ba

Stankovich集团已经证明为基础的解决方案过程生产化学提取的单层石墨烯与一个优秀的稳定(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。两步方法报道高教授和他的团队几乎完全减少表面功能与NaBH脱氧gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba与浓硫酸脱水(gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]。然而,残酷的氧化和还原反应可能恶化的石墨烯结构和降低石墨烯器件的性能。gydF4y2Ba

Ang等人提出了一个简单的一步夹层和剥离方法生产大型、导电石墨烯具有高收益率(> 90%),而无需使用表面活性剂(gydF4y2Ba55gydF4y2Ba]。该方法是基于丰富的夹层化学聚合。石墨烯可以通过液相剥离的石墨(合成gydF4y2Ba15gydF4y2Ba在有机溶剂。剥离的石墨N-methyl吡咯烷酮或表面活性剂/水解决方案采用超声破碎法也收益稳定的单层石墨烯分散体(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba56gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

Kosynkin和他的同事在莱斯大学,德克萨斯,美国大规模合成石墨烯带的制作都通过一个简单的氧化纵向压缩的微碳纳米管为基础的解决方案gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。他们也以意想不到的和难以置信的起始原料合成原始石墨烯等食物,浪费,和昆虫gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。阮教授和他的团队所使用的协议涉及的合成高质量的石墨烯单层难以置信的和更便宜的固体碳材料作为前体,如饼干和巧克力(食物),草,塑料和狗粪便(浪费),和蟑螂(昆虫)没有任何净化步骤gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。这组展示了单层的石墨烯的生长从固体碳源在铜箔。获得石墨烯单层,10毫克干的碳源放置在铜箔支持一个石英船,在管式炉退火在1050°C下15分钟低压HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和Ar。当草和狗粪便被用来作为碳前驱除去水分,样品在65°C真空加热烤箱(102托)10个小时。预计旅行使用的协议和他的团队从便宜的碳源将迅速降低石墨烯的成本在商业市场,将是非常受欢迎的大规模合成的石墨烯。gydF4y2Ba

Shinde教授和他的团队在全国化学实验室,浦那(印度引入了一个新协议的简单合成高质量的石墨烯带的制作都通过两步电化学方法(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。在这个协议,微碳纳米管被转变成石墨烯带的制作都由一个过程称为“电化学测定。”这个过程由控制的微碳纳米管电化学氧化潜力,其次是减少化学或电化学产生石墨烯层有缺陷或没有缺陷。gydF4y2Ba

几组合成石墨烯在电化学条件下(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]。王等人。gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba)的直接电化学还原合成石墨烯单层石墨烯与氧化石墨烯,随后用葡萄糖氧化酶。高效和大规模协议采用(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]从石墨合成石墨烯通过电解剥离使用保利(sodium-4-styrenesulfonate)作为一种有效的电解质。最近,刘等人。gydF4y2Ba32gydF4y2Ba)进行一个简单的两步电化学技术生产石墨烯薄膜在氧化铟锡(ITO)电极。石墨烯的主要过程包括电泳沉积氧化膜在ITO电极的紧随其后gydF4y2Ba原位gydF4y2Ba电化学还原的氧化石墨烯生成石墨烯片电影。表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba说明了各种合成协议用于合成石墨烯。gydF4y2Ba

4所示。石墨烯的一些性质gydF4y2Ba

4.1。功能化和增溶gydF4y2Ba

原始的石墨烯是不溶于水等液体聚合物树脂和其他常见溶剂。因此,有必要把某些官能团的石墨烯物理或化学分散在各种常见溶剂没有显著改变其可取的属性。功能化的石墨烯进行了不同群体使用各种新颖的策略(gydF4y2Ba57gydF4y2Ba]。Niyogy功能化石墨烯和同事利用共价连接(gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]。进行酰胺化在非极性溶剂溶解石墨烯。在这个过程中,包含表面酸洗石墨烯-哦和羧基团体首次接受亚硫酰氯(SOCl会gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),其次是长链脂族胺反应。可溶性石墨烯层四氢呋喃(四氢呋喃)是通过烷基链的共价连接到石墨烯层通过减少石墨氟烷基锂试剂(gydF4y2Ba59gydF4y2Ba]。这种共价功能化促进CCl等溶剂中的溶解gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba、四氢呋喃、CHgydF4y2Ba_2gydF4y2BaClgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。水溶性石墨烯可以由原始石墨烯的反应混合物的集中HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和HNOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba。这种水溶性石墨烯稳定了几个月。Si和Samulski进行了简单和可伸缩过程合成孤立的水溶液,很少磺化石墨烯(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba^13gydF4y2BaC核磁共振和红外光谱谱表明,大量的含氧官能团是除去氧化石墨烯。gydF4y2Ba

石墨烯可以通过共价功能化改性与表面活性剂或包装gydF4y2BaπgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaπgydF4y2Ba与芳香分子如1-pyrenebutanoic succinimidyl酸酯(PYBS)和晕苯四甲酸盐钾(CS) (gydF4y2Ba60gydF4y2Ba]。在这个过程中,石墨烯的电子结构仍不受影响。水溶性石墨烯可以通过非共价相互作用的石墨烯表面活性剂如钠dodecylsulphate (SDS)和cetyltrimethylammonium溴铵(CTAB)。水溶性石墨烯也可以获得当酸化石墨烯被处理的聚乙二醇(PEG)和浓盐酸solvothermal条件下(gydF4y2Ba61年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

石墨被电化学产生化学改性石墨烯的胶态悬浮体。刘等人采用一步离子液体辅助电化学合成协议产生离子液体功能化石墨烯直接从石墨烯(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。在这个过程中,商业石墨电极作为阴极,沉浸在一个分离的水和imidazolium-based离子液体的混合物。一个常数10 - 20 V在电极应用的潜力。30分钟后电化学反应,离子液体功能化石墨烯薄片源自石墨阳极。超声破碎法的干功能化负债表DMF导致均匀分散。的平均长度和宽度离子液体功能化石墨烯表是700和500海里,分别从TEM图像就是明证。AFM图像分析显示表的厚度gydF4y2Ba~gydF4y2Ba1.1纳米。gydF4y2Ba

4.2。组装在液-液界面gydF4y2Ba

分子自组装的碳纳米结构的各种维度的利益由于其潜在用途设计光学透明导电电极、太阳能电池和其他设备。自组装的gydF4y2Ba_60gydF4y2Bananosheets由六边形、菱形的,多边形骨料混合,由溶剂合成工程。几组创造了高度有序的单层石墨烯nanosheets的电影通过分子自组装液-液界面。陈等人伪造的自由站自组装膜在液态空气界面蒸发的水溶胶的(gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba]。逐层组装一直受雇于金纳米薄膜的形成和最小的减少与多壁碳纳米管(gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

Ramesha和位于一个gydF4y2Ba原位gydF4y2Ba拉曼spectroelectrochemical研究电影,黄金等装配在导电衬底的一层技术,随后降低电化学(gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

自组装已经确认了很长一段时间是最有效的策略之一“自下而上”的纳米技术。二维石墨烯的自组装是一个重要的战略产生宏观三维石墨烯结构的实际应用,如薄膜和分层paperlike材料。最近,徐et al。gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba)自组装合成石墨烯水凝胶通过简单一步水热法。gydF4y2Ba

4.3。表面性质gydF4y2Ba

石墨烯具有极高的比表面积和高孔隙率,使它们适合吸附不同的气体,如氢(HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),甲烷(CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba)和二氧化碳(有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)。理论计算预测大型单层石墨烯的表面面积接近2600gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba]。实验、表面的区域few-layer石墨烯薄片由各种方法是用Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方法和表面区域在270 - 1550米的范围gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}。吸附的有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba的石墨烯样品测量在195 K和atm。第一原理计算表明,有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分子或者平行配置坐在六元环(gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba]。几组的吸附研究HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba由石墨烯等碳纳米材料(gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba]。发现是完全可逆的吸附石墨烯与碳纳米管。第一原理计算表明,HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分子坐在平行和垂直方向的环石墨烯层,单层石墨烯能吸收高达7.7 wt %的氢。gydF4y2Ba

4.4。荧光猝灭gydF4y2Ba

石墨烯具有荧光猝灭的能力。这个属性可以利用石墨烯的选择性生物分子的检测。石墨烯的非凡的财产芳香的猝灭荧光分子与photo-induced电子转移。淬火卟啉的荧光通过石墨烯和porphyrin-graphene复合物的光物理性能报告(gydF4y2Ba69年gydF4y2Ba]。室利罗摩克里希纳和他的团队研究了石墨烯的荧光猝灭特性(gydF4y2Ba70年gydF4y2Ba]。理论研究表明,远程能量转移荧光猝灭的有关染料分子在石墨烯的存在。gydF4y2Ba

4.5。拉曼增强gydF4y2Ba

名字表面增强拉曼光谱表明,它提供了同样的信息,正常的拉曼光谱,简单,极大地增强了信号。弱者可以极大的增强拉曼信号的引入表面增强喇曼散射(ser)光谱在1974年由她等人的南安普顿大学的gydF4y2Ba71年gydF4y2Ba]。采用表面增强拉曼光谱(ser)在1974年吸引了很多研究人员关注由于疲软的大增强拉曼信号,从而促进化学和生物系统中方便识别。ser的增强作用的确切机制仍然是一个争议的问题。主要有两种机制负责大型弱的拉曼信号增强的影响。一个是电磁增强机制(EM),另一个是化学增强机理(CM)。电磁增强机制是基于局部表面等离子体的激发。另一方面,化学增强机制依赖于电荷转移复合吸附分子的形成。然而,它是非常困难的分离这两个实验的影响。ser活性衬底制造在ser研究中是一个非常重要的领域。两种最常见的ser活性基质金属铸币金属的胶体盟,Ag)和化学还原得到的铜金属电极表面粗糙的一个或多个电化学氧化还原循环。 The recent advancement of nanotechnology has been utilized to fabricate various nanostructures from nanoparticles to nanowires, which can be used as SERS active substrates.

ser发明时,事实证明,只有少数“free-electron-like”金属,主要Ag),非盟,铜,可以提供大量ser效果粗糙金属表面与胶体金属颗粒尺寸在纳米的顺序。然而,缺乏衬底普遍性有限ser的实际应用,尽管表面缺乏一般性限制ser研究与模糊形态学表面,在表面科学是不可接受的。许多团体曾试图克服这些ser的两个主要限制获取ser活动以外的其他金属表面Ag),非盟,铜和自动平(单晶)表面。然而,大多数的金属作为ser基质生物相容性差。因此,有必要开发新的拉曼增强的新基质。理想的ser基质,材料应该便宜,容易获得,化学惰性以及生物相容性。最近,凌等人教授和他的同事在纳米科学和技术中心,北京大学,北京,中国进行了第一个系统研究表明,石墨烯可以作为一种新的高效ser活性衬底具有优良的生物相容性和化学惰性gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba]。他们使用酞菁(Pc),罗丹明6 g (R6G),原卟啉IX (PPP)和水晶违反(CV)作为普通拉曼探针分子,沉积在石墨烯。他们发现石墨烯有潜力作为拉曼增强的衬底(gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba]。此外,拉曼增强效应的研究在不同的层的石墨烯。增强在单层石墨烯被发现是最好的。探针分子的拉曼信号的强度下降约随着石墨烯层数的增加。由于精确的起源是未知的,需要进行进一步调查。得到2-17拉曼增强因子和大小被发现依赖于分子的振动模式的对称。凌et al。gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba)认为这种增强石墨烯和探针分子之间的电荷转移,导致化学增强。提到这里的EM机制要求是很重要的粗糙表面,与大曲率金属颗粒,表面可以吸收入射光产生表面等离子体激元。厘米的机制,探针分子和基质之间的距离必须低于0.2 nm和金属衬底的费米能级匹配与最高占据分子轨道对称(人类)和最低未占据分子轨道(LUMO)探针分子促进金属分子的电荷转移,反之亦然。石墨烯的表面相对光滑,高度光学透明。光传输通过石墨烯表面的可见范围是95%以上。此外,石墨烯的表面等离子体激发太赫兹的而不是在电磁波谱的可见范围。由于这些特殊的光学性质,石墨烯不支持电磁增强机制。另一方面,化学增强机理是唯一可能的石墨烯的拉曼增强信号。这种考虑是支持的事实,先前的研究工作已经显示出石墨烯和一些分子之间的电荷转移的可能性(gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba]。如果石墨烯可以作为SERS-active基质,它将提供一种简单的方法来分离化学增强机理和电磁增强机制gydF4y2Ba

这是第一个报告关于石墨烯的表面拉曼增强。相比普通金属用作ser基质,石墨烯具有许多优点如易制备,成本较低,生物相容性。预计这一发现将石墨烯的应用扩展到微量分析。除了使用石墨烯作为一种潜在的生物/化学传感器,该研究有利于了解石墨烯的基本性质和爵士,如电荷转移石墨烯(CM)和化学增强机制。gydF4y2Ba

5。石墨烯的应用gydF4y2Ba

石墨烯的神奇性质已经探索了通用的应用程序从电极材料的电子设备。它展示优秀的电子特性,允许电力流动迅速通过材料。事实上,它已经表明,电子在石墨烯表现为无质量粒子类似光子,压缩在石墨烯层没有散射。这个杰出的电子属性是至关重要的许多设备应用和预计,石墨烯可能最终取代硅(Si)作为计算机芯片的物质,提供超快的电脑的前景/操作速度太赫兹量子计算机。不幸的是,彻底了解石墨烯的电子性质仍然难以捉摸。gydF4y2Ba

研究了石墨烯中电子传递使用场效应晶体管(FET)配置。在这个配置中,石墨烯样品放在一个氧化硅衬底和连接到源和漏极。这些设备是由电容的电容的氧化层,这使得它很难测量量子电容。gydF4y2Ba

电容是物质的基本属性,描述了材料的形式储存能量的能力。在经典物理学,电容是电子的排斥电荷限制。然而,另一种电容存在,主导整个电容等二维材料石墨烯。量子电容是泡利不相容原理的结果,即两个费米子,一类常见的粒子包括电子,质子,中子不能在同一时间占据同一能级。一旦量子态,随后的费米子被迫先后占领更高的能量状态。量子电容测量是一个重要组成部分理解的石墨烯的电子性质。gydF4y2Ba

夏和他的同事中心的生物电子学和生物传感器,描述美国亚利桑那州立大学生物设计研究所的第一个直接测量石墨烯量子电容的离子液体电解媒体使用三电极电化学门配置。他们的研究结果发表在2010年8月,《华尔街日报》的问题gydF4y2Ba自然纳米技术gydF4y2Ba(gydF4y2Ba74年gydF4y2Ba]。在他们的研究中,两个电极连接到石墨烯,在材料的二维表面电压通过第三个栅电极。使用电化学门和离子液体电解质1-butyl-3-methyl imidazolium方法(BMIM-PFgydF4y2Ba_6gydF4y2Ba道)的实验德拜屏蔽长度减少到几乎为零,这使得量子电容测量电容的主导因素。狄拉克的量子电容有一个非零最小点和一个线性增加两岸的最低相对较小的斜坡。道的实验结果表明,石墨烯的电容很小。由于离子液体的离子浓度高,测量电容由界面电容由于形成的双层石墨烯/离子液体界面和量子电容串联。量子电容的情节与门潜力有一个对称v字形,最低在狄拉克点。它同意理想的石墨烯的理论模型和量子电容的测量绝对值也接近理论预测。他们的研究结果强烈表明,界面电容在碳基电极量子起源。gydF4y2Ba

道的结果显示带电杂质的降低电容的影响。如此低的电容是可取的应用在化学和生物传感器产生较低的信噪比,提供极好的解决化学或生物制剂。石墨烯的单原子层几何的敏感性和低电容为生物传感器应用表现出巨大的潜力。任何生物物质,可以与石墨烯的表面单原子层可以被探测到,导致大量电子性质的变化。一个可能的生物传感器应用程序正在考虑研究antibody-antigen交互通过构建石墨烯的表面抗体。gydF4y2Ba

5.1。储氢材料gydF4y2Ba

氢具有很高的能量密度,质量。因此,它被认为是一个关键的能源载体。在实际应用中,氢的存储需要重量和体积密度高、快速反应动力学、吸附温度低,可逆性好,和低成本。然而,安全储存的氢是最大的挑战由于氢气的爆炸特性。最常见的方法存储氢气体的形式在加压气缸,低温液体或吸附气体在固体材料。目前,高温溶解的氢在金属氢化物带来了一个问题。因此,贮氢材料化学过程实际上是一个更安全的方法。最近的进步在纳米材料可以发挥重要作用对于存储应用程序,减少因大量表面体积比氢的扩散路径长度的纳米材料。在这方面,使用各种过渡金属纳米粒子如钯(Pd)、铂(Pt),钛(Ti)沉积在碳支持追究他们的氢吸收能力。石墨烯是一种理想的储氢材料由于重量轻,高表面积,和化学稳定性。 Hydrogen can be chemically stored in graphene by physisorption or chemisorption. However, practically it exhibits a low hydrogen storage capacity at ambient temperatures and moderate pressures. For example, a single-layer graphene was shown to store 0.4 wt% hydrogen at 100 kPa pressure and cryogenic temperature. Therefore, chemical modification of carbon supports by metal or metal oxide nanoparticles is essential to enhance the hydrogen uptake efficiency. Pd has strong affinity towards hydrogen adsorption. The role of Pd nanoparticles on graphene can be enhanced by three times under moderate temperature and pressure. Therefore, graphene and its nanocomposites have a great potential in hydrogen storage, which can be employed in fuel cell technology with the fuel cell serving as the fuel source. Recently, Maidhily et al. [75年gydF4y2Ba)利用功能化石墨烯的表作为质子交换膜燃料电池的催化剂载体。Subrahmanyam教授和他的团队研究了氢的化学存储在几层石墨烯(gydF4y2Ba76年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

5.2。致动器gydF4y2Ba

非凡的机械、光学和电学性质的石墨烯已经被许多科学家利用开发执行机构。公园等人设计了一种双层纸由相邻的多壁碳纳米管和氧化石墨烯层,并演示了一个宏观石墨烯致动器(gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba]。报纸上旋度取决于温度和/或湿度。谢et al。gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba)开发了一种不对称的表面改性石墨烯薄膜执行机构的两个单片石墨烯膜两端己烷和氧等离子体,分别。驱动运动是通过不对称诱导的充电和放电。一个双压电晶片零件microactuator基于graphene-on-organic混合的电影了。graphene-on-organic电影致动器生成一个拍打和弯曲运动,可以由不同的频率和持续时间的应用潜力。最近,吴等人开发了一个遥控透明,大面积grapheme-based机器人(gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba]。这个grapheme-based致动器可以弯曲和伸直红外(IR)的缺失和存在辐射(gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba]。这个基于遥控机器人拿起任何对象,移动到理想位置,下降的遥控器的红外辐射。这无疑是一个优雅的示范光热光谱分析能量转换的字母,致动器。gydF4y2Ba

5.3。超级电容器或超级电容gydF4y2Ba

电化学电容器,也称为超级电容器或超级电容,储存能量使用离子吸附(电化学双层电容器)或快速表面氧化还原反应或感应电流的反应(pseudocapacitors /氧化还原电容器)。他们可以补充或更换电池电能存储和获取应用程序中,当高功率交付或吸收是必要的。显著改善性能已通过最新进展在理解电荷存储机制和发展先进的纳米材料。虽然电池是高能源和低功率设备,广泛应用在传统的应用程序中,超级电容器作为低能量、高功率器件,是理想的用于高功率脉冲需求。与电池,超级电容器具有较高的功率密度和更长的循环寿命。他们填补差距电池和传统介质电容器。在文献中,三种不同的基于碳碳超级电容器,过渡金属氧化物和导电聚合物的报告。gydF4y2Ba

获得高电容值的主要因素收取双层在使用比表面积高、阻塞和电子导电电极。石墨碳超级电容器满足所有要求应用,如高导电性、电化学稳定性和开孔率。激活,模板,和硬质合金中碳、碳面料,纤维、纳米管和nanohorns已经测试了电化学双层电容器的应用程序。激活碳是最广泛使用的电极材料由于其比表面积高、低成本、易加工性能。gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba总结了各种碳的一些性质和特点为超级电容器电极材料。石墨烯材料,包括零维富勒烯、一维的碳纳米管(碳纳米管),二维字母,和三维石墨特别感兴趣的是由于他们特殊的电气和机械性能和独特的结构。最近研究电极材料主要集中在碳纳米材料如碳纳米管(碳纳米管)。碳纳米管具有优良的导电性和高表面积捏造了90年代末以来的超级电容器。然而,CNT-based超级电容器并没有达到预期的性能由于观察电极之间的接触电阻和电流收集器也由于高成本。因此,许多研究已经进行了改善CNT-based的性能直接生长碳纳米管超级电容器的体积金属消除接触电阻(gydF4y2Ba80年gydF4y2Ba]。最近,grapheme-based电极材料已被用于超级电容器的应用程序(gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba)和two-graphene超级电容器比电容的应用研究报道117 F ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在水HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(gydF4y2Ba81年gydF4y2Bag)和135 FgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在水溶液电解质gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba基于多层石墨烯材料。与传统的高表面材料相比,grapheme-based材料的有效表面积作为电容器电极材料并不取决于孔隙的分布在固体(gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba],它不同于当前的超级电容器制造活性炭和碳纳米管。显然,石墨烯材料的有效表面积应该高度依赖于层。因此,单一或一些层次化的石墨烯应该会表现出更高的有效表面积,从而更好的超级电容器性能。王等人。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)制作超级电容器设备使用石墨烯作为电极材料,研究了它们的性能。单层石墨烯氧化物表减少在室温下使用基于燃气肼还原。降低石墨烯材料由这种方法有一个较低程度的集聚比化学改性石墨烯在水溶液在高的温度。的最大比电容205 F ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在1.0 V水电解质能量密度为28.5 W h公斤gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}获得,这是迄今为止最好的结果对石墨烯材料也显著高于CNT-based超级电容器。此外,电容器的功率密度达到高达10千瓦公斤gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},高于CNT-based超级电容器。图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba说明了光学图像的工业级硬币形状的石墨烯超级电容器设备。gydF4y2Ba

后续发展grapheme-based使用导电聚合物纳米复合材料是即兴创作的一个重要的步骤在纳米科学和纳米技术领域。这种石墨烯聚合物纳米复合材料可以用作超级电容器的电极材料。主要的导电聚合物超级电容器电极的材料,研究了聚苯胺(PANI),聚吡咯(PPY) polythiophene(甲状旁腺素),及其衍生品。gydF4y2Ba

独立和灵活的石墨烯/聚苯胺复合纸是由王et al。gydF4y2Ba83年gydF4y2Ba雇佣一个gydF4y2Ba原位gydF4y2Ba阳极electropolymerization聚苯胺膜在石墨烯纸上。这种石墨烯复合纸电极,石墨烯/聚苯胺复合组成的表作为构建块,显示了良好的抗拉强度为12.6 MPa和展览一个稳定的大电解电容(233 F (ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和135 F厘米gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}重量和体积的功放)。这些值更大的相对于其他现有碳基柔性电极,因此特别适合用来柔性超级电容器。gydF4y2Ba

6。未来前景的石墨烯gydF4y2Ba

预计的石墨烯的电子性质将纳电子学的新时代。尽管对石墨烯电子高期望,“graphenium”微处理器不太可能出现在未来几年。然而,许多其他石墨烯应用程序可能会被利用。gydF4y2Ba

石墨烯可能是其最直接应用在复合材料中使用。事实上,它已经被传播表明,少量的石墨烯在聚合物中,艰难的轻质材料可以设计。复合材料的导电聚合物和能够承受更高的温度。最近,美国西北大学机械工程教授合成石墨烯聚合物复合材料。这些grapheme-based聚合物复合材料理想的轻质汽油罐和塑料容器。这些复合材料可能用来制造更轻、更省油的飞机和汽车零部件、强劲的风力涡轮机、医学植入物,和体育设备。gydF4y2Ba

另一种选择是使用电池的石墨烯粉末已经为石墨的一个主要市场。提供的高表面体积比和高导电性石墨烯粉末可能导致改善电池的整体效率,接管现代电池中使用的纳米碳纤维。gydF4y2Ba

高导电性和高的光学透明度使适合制造石墨烯透明导电涂料在液晶显示器和太阳能电池。最近,韩国和美国的研究人员开发的紫外线(UV)氮化硅发光二极管使用几层石墨烯透明导电层。gydF4y2Ba

优秀的电子性质的石墨烯是至关重要的许多设备应用和预计,石墨烯可能最终取代硅(Si)作为计算机芯片的物质,提供超快的电脑的前景/操作速度太赫兹量子计算机。gydF4y2Ba

7所示。结论gydF4y2Ba

石墨烯的发现在2004年引发了在全球各种实验和理论方面的研究活动由于其非常大的表面积和独特的材料特性(gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba]。发现,几年内grapheme-based材料及其复合材料的新地位supermaterial地平线上的材料科学和凝聚态物理各领域由于其通用的应用程序。不同的协议已经被用于合成石墨烯。就可以形成稳定的分散石墨烯的功能化。本文总结了石墨烯的发现后面跟着发展背景的合成、功能化和应用程序从传感器到能源各领域的应用。预计,到2015年,石墨烯产品的全球市场将达到6700万美元。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者要感谢财政支持项目资助的UGC,新德里(批准号PSW-038/10-11-ERO)。作者要感谢博士Balaprasad Ankamwar教授Tapan Ganguly讨论。gydF4y2Ba

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