石墨烯：新型二維碳納米材料（簡體書）

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，因其特殊的結構和眾多的優良性質，被公認是一種前所未有的納米材料，在許多領域包括微電子、電子、能源、光電、航空航天、醫學和機械等方面具有重大的應用前景，因此該材料的發現被授予2010年諾貝爾物理獎。《納米科學與技術．石墨烯：新型二維碳納米材料》首先介紹石墨烯的基本結構和物理化學性質及其研究發現簡史，在此基礎上總結了石墨烯和石墨烯氧化物的各種常見的製備方法。然後分別系統總結和介紹了石墨烯在微電子、透明電極、光電器件、能源器件、複合材料和藥物輸送等方面的研究進展和應用前景。

陳永勝
特聘教授，博士生導師。1984年獲鄭州大學學士學位，1987年獲南開大學碩士學位，1997年獲加拿大維多利亞大學博士學位。1997～1999年，先後於美國肯塔基大學和加州大學洛杉磯分校師從國際著名的納米材料專家Robert Haddorl和Fred Wudl從事博士後研究。1999～2002年，在美國Cylller公司任高級研究員。2002～2003年，在美國加州大學聖地牙哥分校任高級研究員。2003年至今，任南開大學特聘教授、天津市特聘教授、博士生導師。主要研究領域包括：①碳納米材料，包括石墨烯、碳納米管等的製備、修飾和應用；②有機光電材料的製備和性能研究；③新一代綠色能源器件，包括有機太陽能電池和超級電容器等。先後承擔國家自然科學基金專案、“863”計畫專案、“973”計畫專案和科技部國際合作項目等數十項國家重要科研專案。至今已發表論文170餘篇，其中在Science、Nature、SciRep、AccChemRes、NanoLett、J AmChemSoc、AdvMater等國際一流刊物上發表20餘篇論文，被他引約10000次。近年來，在石墨烯的製備、性質及應用研究領域取得了重要成果，於2010年獲天津市自然科學獎～等獎（排名第一）。

《石墨烯:新型二維碳納米材料》編輯推薦：石墨烯是近年來學術界公認的最熱門的研究領域之一，對石墨烯的研究帶動了新工藝、新方法和新技術等領域的全面發展，並對科學技術和社會發展產生了革命性的影響。《石墨烯:新型二維碳納米材料》以南開大學納米科學與技術中心石墨烯研究團隊多年的科研成果為基礎，彙集了國內外石墨烯領域的最新進展，以專業的視角和通俗易懂的語言，全面系統地對石墨烯研究的重要成果進行了歸納和總結。內容主要包括：石墨烯的發現、結構、性質及表徵方法；石墨烯的製備方法；石墨烯在微電子、光電材料、新能源器件、多功能複合材料、生物醫用材料及催化、傳感等領域的研究和應用等。《石墨烯:新型二維碳納米材料》不僅可以作為新材料、新能源和納米科技領域本科生、研究生的入門教程以及相關研究人員的專業參考書，也適合對石墨烯等新型納米材料感興趣的非專業讀者閱讀。

《納米科學與技術》叢書序
前言
第1章碳納米材料簡介
1.1碳元素
1.2碳納米材料
1.2.1富勒烯
1.2.2碳納米管
1.2.3石墨烯
參考文獻
第2章石墨烯的發現、基本結構和性質
2.1石墨烯的發現和歷史
2.2石墨烯的基本結構和性質
2.2.1石墨烯的電子性質和能帶結構
2.2.2電荷傳輸性質
2.2.3石墨烯的光學性質
2.2.4石墨烯的熱導性質
2.2.5石墨烯的力學性質
2.2.6石墨烯的透氣性
2.2.7石墨烯的重要化學性質
2.3石墨烯的合成製備方法
2.3.1機械剝離法
2.3.2外延生長法
2.3.3化學氣相沉積法
2.3.4化學剝離法
2.3.5化學合成法
2.4石墨烯的檢測和分析方法
2.4.1光學顯微鏡
2.4.2拉曼光譜
2.4.3原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡
2.4.4X射線衍射
2.5石墨烯的重要應用前景
2.5.1電子器件
2.5.2透明（柔性）電極
2.5.3超級電容器和鋰電池材料
2.5.4加強型複合材料
參考文獻
第3章石墨烯的製備方法
3.1機械剝離法
3.1.1微機械剝離法
3.1.2轉移印刷法
3.1.3液相超聲剝離法
3.1.4其他機械剝離法
3.2SiC外延生長法
3.3化學氣相沉積法
3.3.1熱CVD技術
3.3.2等離子體增強CVD（PECVD）技術及無金屬催化劑合成方法
3.3.3偏析生長方法
3.4化學氧化還原法
3.4.1製備氧化石墨（烯）
3.4.2還原氧化石墨（烯）
3.5電弧放電法
3.6“自下而上”有機合成法
3.7石墨烯合成的其他方法
3.7.1電化學法
3.7.2範本法
3.7.3CO還原法
3.8石墨烯納米帶的合成方法
3.8.1剪切石墨烯製備石墨烯納米帶
3.8.2切割碳納米管製備石墨烯納米帶
3.8.3有機合成法
3.8.4其他合成方法
3.8.5碳納米管內合成石墨烯納米帶
參考文獻
第4章石墨烯在微電子方面的研究及應用
4.1石墨烯電子結構與特性
4.1.1石墨烯電子結構
4.1.2石墨烯電學特性
4.1.3石墨烯帶隙調控
4.2石墨烯電晶體
4.2.1場效應管原理及進展
4.2.2石墨烯與場效應管有關的一些特性
4.2.3石墨烯場效應管結構
4.2.4石墨烯場效應管的發展與現狀
4.2.5石墨烯場效應管展望
4.3石墨烯積體電路和記憶體件
4.3.1石墨烯積體電路
4.3.2石墨烯記憶體
參考文獻
第5章石墨烯在透明電極方面的研究及應用
5.1引言
5.2石墨烯透明電極的製備
5.2.1基於氧化石墨烯還原的透明電極
5.2.2基於石墨烯雜化材料的透明電極
5.2.3基於化學氣相沉積法的石墨烯透明電極
5.3石墨烯透明電極的應用
5.3.1石墨烯透明電極在有機太陽能電池中的應用
5.3.2石墨烯透明電極有機發光二極體中的應用
5.3.3石墨烯透明電極在其他器件中的應用
5.4結論與展望
參考文獻
第6章石墨烯在有機光電器件方面的研究及應用
6.1引言
6.2石墨烯作為介面層材料在有機光電器件中的應用
6.3石墨烯作為活性材料在有機光電器件中的應用
6.4石墨烯作為背電極在光敏電池中的應用
6.5石墨烯在其他光電器件中的應用
參考文獻
第7章石墨烯在超級電容器方面的研究及應用
7.1超級電容器的組成和結構
7.2超級電容器的發展
7.2.1雙電層超級電容器
7.2.2贗電容超級電容器
7.2.3非對稱超級電容器
7.3基於石墨烯的超級電容器
7.3.1石墨烯電極材料的製備
7.3.2基於石墨烯的雙電層超級電容器
7.3.3基於石墨烯的贗電容超級電容器
7.3.4基於石墨烯的非對稱超級電容器
7.3.5基於石墨烯的超級電容器展望
參考文獻
第8章石墨烯在多功能複合材料方面的研究及應用
8.1石墨烯的功能化研究
8.1.1石墨烯的共價鍵功能化
8.1.2石墨烯的非共價鍵功能化
8.2石墨烯／聚合物納米複合材料
8.2.1石墨烯／聚合物複合材料的製備方法
8.2.2石墨烯／聚合物複合材料的機械性能
8.2.3石墨烯／聚合物複合材料的電學性能
8.2.4石墨烯／聚合物複合材料的光學性質
8.2.5石墨烯／聚合物複合材料的熱性能
8.3石墨烯／無機納米複合材料
8.3.1基於石墨烯的碳／碳納米複合材料
8.3.2石墨烯與金屬及其化合物複合材料
參考文獻
第9章石墨烯在生物醫學方面的研究及應用
9.1石墨烯在生物醫藥方面的應用
9.1.1石墨烯的化學修飾
9.1.2石墨烯在藥物和基因輸送中的應用
9.1.3石墨烯在生物醫藥方面的其他應用
9.1.4石墨烯的毒性
9.1.5結論與展望
9.2石墨烯在生物感測器方面的應用
9.2.1生物活性物質在石墨烯表面的直接電子轉移
9.2.2石墨烯在生物小分子檢測中的應用
9.2.3基於石墨烯的免疫感測器
9.2.4石墨烯在基因檢測中的應用
9.2.5結論與展望
參考文獻
第10章石墨烯在其他方面的研究和應用
10.1化學感測器
10.2在催化反應中的應用
10.2.1石墨烯／氧化石墨作為催化劑載體
10.2.2石墨烯／氧化石墨烯作為催化劑
10.3氣體儲存材料
10.4石墨烯篩子
參考文獻

4.3.1石墨烯積體電路
第一塊積體電路是由TI公司於1958年研製的。同年，Fairchild公司採用平面工藝研製出了第一個名副其實的單片積體電路。目前，一個積體電路中包含的元器件已經超過了上億個。不過平面工藝仍然是半導體器件和積體電路生產的主流工藝。由於石墨烯的二維平面結構，人們一直在借鑒傳統的平面工藝來製備石墨烯電子器件。雖然人們目前已經研製出截止頻率上百GHz的石墨烯電晶體，但是要想使石墨烯微電子器件獲得更為廣泛的應用，一個基本的要求就是要有效地解決石墨烯電晶體之間以及石墨烯電晶體同其他元器件之間的統一集成問題。儘管石墨烯合成和器件的研發獲得了長足的進步，但將石墨烯器件大規模地集成到實際電路中仍然是一項具有挑戰性的工作。這其中的困難主要來源於石墨烯具有同其他半導體不同的性質。例如，石墨烯有著不同的歐姆接觸形成機制，同金屬或氧化物的吸附能力比較差，在等離子體處理過程中比較容易被損壞等。這些不利的因素限制了石墨烯積體電路的製備。雖然人們也在嘗試將單一的石墨烯電子器件集成到大規模的電路中，但結果往往造成了器件整體性能的降低。而這種性能的降低並不是石墨烯本身性質帶來的影響，而是由器件之間連接和集成造成的。因此，要想解決從單一器件到實際應用的石墨烯積體電路之間的技術壁壘，開發新型的集成技術和電路設計方案是需要攻克的難關。
2011年，美國IBM公司的林育明團隊研製出了首款由石墨烯圓晶製成的積體電路，向開發石墨烯電腦晶片前進了一步。他們找到了一種新方法——通過在一塊SiC晶圓的矽面上種植石墨烯，清除了限制石墨烯積體電路製備的障礙。圖4—24給出了他們製備的石墨烯混頻器積體電路的電路和結構示意圖。混頻器是一種用來實現頻率轉換的電子電路，是現代射頻通信系統中的重要元器件。這塊積體電路是一個寬頻無線電頻率混頻器——無線電收音機的關鍵元件，該積體電路通過找出兩個輸入頻率的和與差來輸出新的無線電信號。如圖4—24（a）所示，一個頻率為fRF的射頻信號RF和一個頻率為fLO的局域振盪信號LO分別被施加到石墨烯場效應管的柵極和漏極的輸入端P1和P4。