第一篇：石墨烯涂覆光子晶體光纖探討論文

摘要：碳基材料聚合物擁有增強光纖傳感器傳感特性的潛力。將碳基材料與光子晶體光纖(PCF)相結合，先將剝除涂覆層的PCF兩端與同樣剝去涂覆層的單模光纖（SMF）熔接在一起，然后在結構表面涂覆石墨烯層，形成一個基于PCF的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）。實驗證明，在基于PCF的干涉儀傳感器表面涂覆石墨烯材料能夠提升傳感器的折射率靈敏度。

關鍵詞：光子晶體光纖；石墨烯；等離子體增強化學氣相沉積；折射率

光纖馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）由于高分辨率、高測量精度及制作簡單等優(yōu)點已經(jīng)在電流[7]、應力[8]和溫度[9]傳感等領域得到了廣泛的應用。目前，基于PCF的光纖MZI結構主要有：基于PCF與單模光纖（SMF）纖芯錯位熔接，或PCF空氣孔塌陷熔接構成的MZI；對PCF進行腐蝕成錐構成MZI；在PCF上寫入長周期光柵構成MZI；利用雙芯PCF制作MZI；將PCF熔融拉錐構成MZI。這些基于PCF的MZI傳感器具有靈敏度高和制備簡單的優(yōu)點，可以實現(xiàn)折射率、溫度和應力等參量的測量。本文提出一種在SMF與PCF熔接形成MZI結構的表面涂覆石墨烯材料的PCF折射率傳感器。

1基于PCF的MZI基本原理

基于PCF的MZI（PCF-MZI）是先將PCF的兩端分別與SMF熔接在一起[10]，熔接過程中通過控制放電量使PCF空氣孔保持一定程度的塌陷。當光從SMF端進入第一段塌陷區(qū)時，入射光發(fā)生衍射并且激發(fā)出包層高階模在包層中進行傳輸，另一部分光繼續(xù)在纖芯中傳輸。當光經(jīng)過第二個塌陷區(qū)時，在包層中傳輸?shù)囊徊糠止庠俅务詈线M纖芯中傳輸并發(fā)生干涉沉積在裸露的PCF結構表面的石墨烯材料會導致傳感元件的傳感機制發(fā)生變化。石墨烯與其它的碳納米材料一樣具有高折射率和獨特的光學特性[7]。石墨烯的高折射率會提高光纖包層的有效折射率，由于包層有效折射率的提升，即使輸出光譜的干涉峰或干涉谷波長變化很小，也容易被觀測到。

2PCF-MZI傳感器的制作

本文提出的PCF-MZI的制作是通過商用熔接機完成的，具體方法如下：分別選用一段SMF和PCF(約5mm)，剝除涂覆層，用酒精擦拭干凈后，使用光纖切割刀將光纖的端面切平整后放置在光纖熔接機上，使用馬達控制功能將SMF和PCF對準后進行放電，放電量約13.5mA，放電時間為1000ms。我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，通過控制放電量、放電時間及電極位置可以控制塌陷長度，從而獲得更好的光譜樣本。完成上述操作后，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)將石墨烯沉積在裸露的PCF表面。PECVD法源于化學氣相沉積技術，屬于利用氣相態(tài)物質在固體表面進行化學反應、生成固態(tài)沉積物的過程，其過程如下：①打開真空泵將管式爐抽真空（真空度約30mTorr），同時打開管式爐的加熱源對基片區(qū)域加熱。②管式爐溫度達到700℃時，先通入10sccm的氫氣并打開等離子體（200W），對樣品表面進行清潔10分鐘。清潔結束后，向管式爐內通入生長氣體（甲烷:氫氣=1∶9sccm），此時仍然保持加熱和抽真空，真空度約300mTorr；待爐內壓強穩(wěn)定后打開等離子體（甲烷與氫氣的比例、溫度及等離子體功率控制薄膜生長速率），薄膜開始生長并計時（不同厚度石墨烯可通過時間進行控制）。③薄膜生長結束后，將等離子體源調低至60W并關閉，停止通入生長氣體，關閉加熱源，此時仍然保持抽真空。④在抽真空的同時，管式爐中通入氬氣（10scmm）直至其冷卻，通氬氣主要是對已制備樣品的保護及加速爐內溫度降低。⑤樣品冷卻好后，從管式爐中取出，保存至密封的膠盒中。⑥關閉機器電源和氣瓶各處閥門。PECVD法生長石墨烯有獨特優(yōu)點：可在任意襯底上生長石墨烯，無需催化劑；低溫生長；成膜質量好；薄膜厚度易于控制；均勻性和重復性好；高效率，低成本。但也存在缺點：要求較高的真空環(huán)境；生長所需氣體具有可燃性、爆炸性和易燃性，需采取必要的保護措施。本文的實驗中，樣本石墨烯沉積層數(shù)約為8層，厚度約為2.672nm[11]。上述MZI結構一端的SMF與一個寬帶光源連接在一起，另一端與光譜儀連接在一起，直接在光譜儀上觀測傳輸譜。將PCF部分放置在載玻片上，保證結構的穩(wěn)定性。石墨烯沉積前后傳感器傳輸光譜如圖1所示，可以看到石墨烯沉積前干涉谷的位置約在1534nm處，石墨烯沉積后干涉谷的位置發(fā)生了少量紅移，移動到約1535nm處，并且石墨烯涂覆之后峰值降低約1.5dB。使用PECVD法的石墨烯沉積溫度低，對基體的結構和物理性質影響小；膜的厚度及成分均勻性好；膜組織致密、針孔少；膜層的附著力強。

3實驗結果與討論

實驗將傳感結構繃直后固定在載玻臺上，并記錄此時的透射譜[9]，如圖2所示。在折射率傳感實驗中，使用不同參數(shù)的折射率匹配液作為折射率測量樣本，將折射率匹配液用滴管滴在PCF結構上，記錄傳感器在不同外部環(huán)境下的透射譜。每組實驗結束后，使用酒精反復清洗傳感結構，將清洗后的透射譜和未浸泡在折射率匹配液中的透射譜進行對比，保證還原光譜后進行下一步測量。實驗室的溫度設為28℃，以確保溫度不影響實驗。圖3是未涂覆石墨烯的傳感器在不同環(huán)境折射率下的透射譜，從圖中可以看到，隨著環(huán)境折射率的增加，傳感器的透射譜發(fā)生漂移，并且峰值隨著環(huán)境折射率的增加逐漸減小。傳感器未涂覆石墨烯前，當環(huán)境折射率從1.30RIU增加至1.44RIU時，透射譜中的干涉谷從1554.6nm處漂移到1539.1nm處，漂移了15.5nm，強度從-18.6dB降低到-15.4dB，降低了3.2dB。圖4為傳感器結構表面涂覆石墨烯后在環(huán)境折射率變化下的透射譜，橫軸為外界環(huán)境折射率系數(shù)，縱軸為在折射率系數(shù)變化下透射譜中的光譜強度功率。從圖3、圖4中可以看出，在1.30~1.44RIU范圍內折射率靈敏度為21.02dB/RIU。圖5為不同外部環(huán)境折射率下石墨烯沉積傳感器的透射譜，可以看出傳感器表面涂覆石墨烯后，當環(huán)境折射率從1.30RIU增加至1.44RIU時，透射譜中的干涉谷透射譜中的干涉谷從1541.9nm處漂移到1539.2nm處，漂移了2.7nm，強度從-18.7dB變化到-14.7dB，降低了4dB。圖6為不同外部環(huán)境折射率下石墨烯涂覆傳感器樣本干涉谷強度折射率響應曲線，由此可以看出，一部分倏逝波的能量將會和靠近光纖包層的表層模式耦合，導致輸出光譜上可觀察到的強度減小。表層石墨烯的高折射率會提高光纖包層的有效折射率，從而使光譜變化更容易被觀察到。以上實驗數(shù)據(jù)表明：在1.30~1.44RIU范圍內有23.41dB/RIU的折射率靈敏度，這是由于石墨烯薄膜自身復雜的有效折射率改變了光纖的邊界條件,光在傳播過程中從光纖的包層泄漏到石墨烯涂層，耦合空間也由原先的包層擴大至石墨烯涂層；同時，石墨烯薄膜自身固有的光學吸收功能也增加了傳播過程中的光損耗，降低了耦合強度。由于涂覆石墨烯的總反射比基本依賴于外部環(huán)境的折射率，與拉力和溫度關系不大，因此其對外部環(huán)境的變化有很強的抗干擾性，也使得這種傳感器有完成雙參量傳感的潛力[12~14]，即當另一種因素導致輸出光譜的波長發(fā)生明顯變化時，就有可能完成雙參數(shù)傳感。

4結束語

本文提出并實現(xiàn)了一種將石墨烯涂覆在MZI中PCF表層的折射率傳感器。這種傳感器通過將PCF兩端和SMF熔接出塌陷后，采用PECVD技術將石墨烯沉積在PCF表面上，利用石墨烯的高折射率改變干涉儀的傳感機制，使得其可以連續(xù)進行折射率測量，并且有雙參量傳感的潛力，即第二個參數(shù)通過改變輸出光譜的波長完成傳感。本文提出的傳感器輸出光譜的強度隨著外部環(huán)境折射率的增大使得非線性減小，在1.30~1.44RIU范圍內取得23.41dB/RIU的折射率靈敏度，對比表層沒有石墨涂覆的傳感器樣本，折射率敏感度有所提升。

第二篇：石墨烯納米材料論文

石墨烯納米材料 摘要：

石墨烯是繼富勒烯、碳納米管之后發(fā)現(xiàn)的一種具有二維平面結構的碳納米材料,它自2004年發(fā)現(xiàn)被以來，成為凝聚態(tài)物理與材料科學等領域的一個研究熱點。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體, 它是構筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2 雜化碳的基本結構單元, 具有很多奇異的電子及機械性能。因而吸引了化學、材料等其他領域科學家的高度關注。本文簡要介紹了石墨烯的性能特點、制備方法，著重對石墨烯納米復合材料進行了介紹，對石墨烯納米材料的制備方法、理化性質、及應用前景進行了詳細介紹。關鍵詞：石墨烯納米材料復合物特性制備應用 引言：

石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，因其優(yōu)異的電學、力學、熱學、光學等性能，已經(jīng)深深地影響了物理、化學和材料學領域，被廣泛應用于復合材料、納米電子器件、能量儲存、生物醫(yī)學和傳感器等范圍，表現(xiàn)出巨大的潛在應用前景。石墨烯是近年來發(fā)現(xiàn)的新型碳納米材料，它基本具有碳材料的所有優(yōu)點，而且還擁有更高的比表面積和導電率，能夠克服碳納米管的一些缺陷，使其成為了一個非常理想的納米組合成分來制備石墨烯的復合材料。自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，越來越多科學家開始關注基于石墨烯的復合材料的研究。目前，石墨烯的復合材料己在催化、儲能、生物、醫(yī)藥等領域展現(xiàn)出優(yōu)越的性質和潛在的應用價值。例如，將石墨烯添加到高分子中，可以提高高分子材料的機械性能和導電性能；通過石墨烯與許多不同結構和性質的納米粒子進行復合，制備出新型石墨烯

一、石墨烯的性能特點

1、導電性

石墨烯穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

2、機械特性

石墨烯集成電路石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。他們選取了一些10—20微米的石墨烯微粒。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。

在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據(jù)科學家們測算，這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

3、飽和吸收

當輸入的光波強度超過閾值時，這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收，閾值稱為飽和流暢性。給予強烈的可見光或近紅外線激發(fā)，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就變得飽和。石墨烯可以用于光纖激光器的鎖模運作。用石墨烯制備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由于這特殊性質，在超快光子學里，石墨烯有很廣泛的應用空間。

4、自旋傳輸

科學家認為石墨烯會是理想的自旋電子學材料，因為其自旋-軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒有核磁矩。使用非局域磁阻效應，可以測量出，在室溫狀況，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且觀測到自旋相干長度超過1微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

5、電子的相互作用

石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源（ALS）”電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當于醫(yī)學上X射線強度的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

二、石墨烯復合材料制備

由于石墨烯具有高強度、高電導率、高比表面積，用其對聚合物材料進行改性有望得到高性能的聚合物基復合材料，使復合材料具有高電導率、高強度、高熱穩(wěn)定性并具有一定的阻燃性，進一步擴大聚合物材料的應用范圍。

先按照目標制備出表面改性的石墨烯，使其具有親油或親水性；再講改性石墨烯與聚合物材料進行復合制備聚合物基/石墨烯復合材料。改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基體中。此用途的石墨烯可取代價格昂貴的碳納米管來填充聚合物，使聚合物基復合材料的性能及因公得到進一步提高。

三、常見石墨烯納米材料

1、石墨烯/無機物納米材料

石墨烯/無機物納米材料是石墨烯與無機物復合的納米材料，它兼具石墨烯與復合的無機物的優(yōu)良特性。如：①石墨烯/SiO2納米復合材料，它的電導率比石墨烯增大了很多，透射率也很好；②石墨烯/Pt納米復合材料，它的催化效果比單純的Pt要好很多，也可用于制作電極，效果也很好；③石墨烯/TiO2納米復合材料，它的電阻約為原來的1/8，用于電的傳輸時，可以大大的減少電的損耗。

所以，石墨烯/無機物納米材料相對石墨烯而言，許多性能更加優(yōu)異。

2、石墨烯/聚合物納米材料

石墨烯/聚合物納米材料是石墨烯與聚合物復合的納米材料，它兼具石墨烯與復合的聚合物的優(yōu)良特性。如：①改性石墨烯/PMMA納米復合材料，與PMMA相比，其彈性模量增加30%，硬度增加了5%；②石墨烯/聚苯乙烯(PS)納米復合材料，它的電逾滲閥值與相同體積比的單壁碳納米管(SWCNT)相當，而且分別SWCNT/聚酰亞胺和SWCNT/聚對亞苯基乙炔基的2倍到4倍；③石墨烯/泡沫有機硅納米復合材料，它與未添加石墨烯的泡沫有機硅相比，石墨烯(0.25%)/泡沫有機硅納米復合材料的起始分解溫度提高了16OC，熱分解終止溫度提高了50OC，而且熱降解速率也變慢了。

四、石墨烯納米材料的理論與實際意義

石墨烯本身作為一種新型碳納米材料，由于其特殊的結構特性使其在電學、力學、熱學、光學等方面具有優(yōu)異的性能，如量子霍爾效應、量子隧穿效應等。由于具有獨特的納米結構和優(yōu)異的性能，石墨烯可應用于許多的先進材料與器件中，如薄膜材料、儲能材料、液晶材料、機械諧振器等；石墨烯是單層石墨，原料易得，所以價格便宜，不像碳納米管那樣價格昂貴，因此石墨烯有望代替碳納米管成為聚合物基碳納米復合材料的優(yōu)質填料。

石墨烯納米復合材料是在石墨烯的基礎上添加上具有特定性能的聚合物或無機物，使其在某一方面或某幾方面具有更加優(yōu)異的特性。這使得它在很多領域都有廣闊的應用前景。石墨烯的優(yōu)秀特性加上聚合物或無機物而形成的石墨烯納米復合材料將實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、環(huán)保等技術追求，這將迎來材料界的新革命。參考文獻：

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第三篇：石墨烯相變材料論文

石墨烯相變材料的研究

摘要：隨著熱管理及熱存儲技術的發(fā)展，儲熱技術逐漸扮演著越來越重要的角色，于此同時尋找高性能的儲熱材料也成為了研究熱潮。近年來，相變材料的發(fā)展為儲熱技術帶來了福音，相比于其他熱導率低，儲熱性能差的儲熱材料，相變材料有著天然的優(yōu)勢。而在相變材料中，石墨烯相變材料是如今發(fā)現(xiàn)的儲熱性能最優(yōu)異的相變材料，通過將石墨烯作為填充材料，相變材料的儲熱能力大大提升。

關鍵詞： 熱存儲 相變材料 儲熱材料 石墨烯 前言：

在熱能的存儲和利用過程中，常常存在于在供求之間在時間上和空間上不匹配的矛盾，如太陽能的間歇性，電力負荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散熱和工業(yè)余熱利用等。相變儲能材料通過材料相變時吸收或釋放大量熱量實現(xiàn)能量的儲存和利用，可有效解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾。因此，相變儲能技術被廣泛應用于具有間歇性或不穩(wěn)定性的熱管理領域，如航空航天大功率器件的管理，周期性間歇式電子工作器件的散熱，太陽能利用，電力的“移峰填谷”，工業(yè)廢熱余熱的回收利用，民用建筑的采暖及空調的節(jié)能領域等。近年來，相變儲能技術成為能源科學和材料科學領域中一個十分活躍的前沿研究方向。

相變儲能材料具有儲能密度大儲能釋能過程近似恒溫的特點。但多數(shù)相變儲能材料存在熱導率低，換熱性能差等缺點。采用具有高導熱，低密度，耐腐蝕和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點的碳材料對其進行強化傳熱，可有效提高系統(tǒng)換熱效率。常用的固-液定型相變儲能材料實際上是一類復合相變材料，主要是由兩種成分組成：一是工作物質；二是載體基質。工作物質利用它的固-液相變進行儲能工作物質可以是各種相變材料，如石蠟，硬脂酸，水合鹽，無機鹽和金屬及其合金材料。載體基質主要是用來保證相變材料的不流動性和可加工性，并對其進行強化傳熱。

石墨烯是一種新型碳材料，它具有由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀緊密堆積結構。它是構建其他維度炭質材料的基本單元。石墨烯本身具有非常高的導熱系數(shù)，并兼具密度小，膨脹系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)點有望成為一種理想型散熱材料。將石墨烯作為強化傳熱載體，有可能克服單一相變材料熱導率低的缺點，縮短復合體系熱響應時間，提高換熱效率實現(xiàn)復合材料傳熱和儲熱一體化。

本文通過查閱大量文獻以及親自做實驗得出了一些數(shù)據(jù)和結論。正文

1.根據(jù)同濟大學田勝力、張東、肖德炎、向陽等人2006年在《材料開發(fā)與應用》上發(fā)表的文章，他們對脂肪酸相變儲能材料的熱循環(huán)行為進行了系統(tǒng)的研究試驗。試驗選用了化學純的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕櫚酸等四種脂肪酸為研究對象，利用差示掃描量熱技術（DSC）測定了經(jīng)過56次、112次、200次和400次反復熱循環(huán)的相變材料的融化溫度和融化潛熱，加速熱循環(huán)試驗結果顯示：癸酸融化溫度范圍變窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化溫度范圍變寬了3℃左右，月桂酸和棕櫚酸的融化溫度范圍變化不明顯，其中以棕櫚酸的融化溫度變化最小。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，相變材料的融化初始溫度和融化潛熱變化較小，且是沒有規(guī)律的。在400次左右的熱循環(huán)范圍內，這些脂肪酸具有較好的熱穩(wěn)定性，有作為潛熱儲存材料的應用潛力。且此四種脂肪酸的融化溫度在30℃到60℃之間，適于用作綠色建筑材料及其他室溫范圍內的潛熱儲存過程。考慮到相變材料的使用時間可能更長，因此要測試以上脂肪酸長期作為潛熱儲存材料的穩(wěn)定性和可行性，需要更多次數(shù)的加速熱循環(huán)實驗來驗證。而Ahmet Sari在研究純度為工業(yè)級的月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸是發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1200次熱循環(huán)后，這些脂肪酸的融化溫度均逐漸降低，降低最大值為6.78℃，并且，脂肪酸的融化溫度變寬了。這與上文實驗結果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的純度和產地不同造成的。因此，原料的選取對材料的性能有很大影響。

2.2012年1月20日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的黃富強等人申請了他們的最新專利：三維石墨烯/相變儲能復合材料及其制備方法。三維石墨烯/相變儲能復合材料的特征在于石墨烯與相變儲能材料原位復合，其中以具有三維結構的多孔石墨烯作為導熱體和復合模板，以固-液相變的有機材料作為儲能材料和填充劑。可以采用兼具曲面和平面特點的泡沫金屬作為生長基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡結構的泡沫狀石墨烯材料。通過該方法制備的石墨烯材料完整的復制了泡沫金屬的結構，石墨烯以無縫連接的方式構成一個全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導能力，巨大的比表面積，孔隙率和極低密度。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過改變工藝條件可以調控石墨烯的平均層數(shù)，石墨烯網(wǎng)絡的比表面積，密度和導電性。以金屬模板CVD法制備的三維石墨烯泡沫具有豐富的孔結構特征，其比表面積高，孔壁孔腔高度連通，為基體材料提供可復合填充的空間。若將三維多孔石墨烯和相變材料復合，相變儲能材料被分隔在各個孔腔，與石墨烯壁緊密結合，有效熱接觸面積大幅度提高，高度連通的石墨烯三維導熱網(wǎng)絡通道將快速實現(xiàn)系統(tǒng)換熱。另一方面多孔石墨烯的毛細吸附力將液態(tài)相變儲能材料局域化，可有效防止?jié)B透。

3.2012年6月來自于中國科學院能源轉換材料重點實驗室，上海硅酸鹽研究所的周雅娟，黃富強等人發(fā)表了一篇名為太陽能材料和太陽能電池的論文，這篇論文重點講解了他們最新研制出的一種由石墨烯三維氣凝膠（GA）和硬脂酸（OA）組成的相變材料。GA是通過石墨烯氧化物在熱水表面反應制得，三維石墨烯網(wǎng)絡的空隙尺寸只有幾微米而且薄壁墻是石墨烯片層堆積而成，OA通過GA的毛細管力牽引下進入到GA中。GA/OA復合材料的熱穩(wěn)定性達到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA復合材料的短暫升溫和冷卻過程是在為熱能量存儲做準備。GA是一種低密度材料因此在復合材料中僅占15%的比重，這種復合材料能夠大大減少或消除材料內部的熱電阻，表現(xiàn)出一種高儲熱的能力，達到181.8J/g，與獨立的OA材料非常接近，研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)相變材料的熱儲存能力都較低，為了提高材料的熱傳遞能力，金屬泡沫添加劑進入了專家們的視野，然而他們進一步發(fā)現(xiàn)金屬泡沫添加劑與原材料不兼容。經(jīng)過數(shù)次實驗得出的結論，石墨烯材料具有很好的熱穩(wěn)定性和熱傳遞能力，并且與原材料兼容。由石墨烯片層組成的三維網(wǎng)絡結構在相變材料領域有著巨大的潛力。

4.來自于浙江杭州輻射研究所的邢芳，李悟凡等人發(fā)表了關于烷烴類相變材料的文章。烷烴及其混合物由于自身的中低溫度熱能量儲存能力已經(jīng)被廣泛應用于相變材料中。在這些烷烴中，熔化溫度為37度的二十烷已經(jīng)出現(xiàn)在諸如電子領域的基于能量儲存的被動熱管理技術中。為了提高二十烷的熱導性，將石墨烯納米片添加進二十烷這個課題正在試驗中。這種復合相變材料是將石墨烯納米片均勻分布在液體的二十烷中。通過掃描量熱計測量它的熱融合和融化點，我們發(fā)現(xiàn)在10度的時候熱傳導能力整整增加了4倍，這表明石墨烯納米片相對于傳統(tǒng)的一些填充來說有著更好的表現(xiàn)。石墨烯納米片的兩維平面形態(tài)降低了熱表電阻，這也是為什么它效果這么好的原因。擴大的石墨烯片層有著高導電性和低密度性，能有效地增強相變材料的熱性能。

5.同濟大學材料科學與工程學院的田勝力、張東、肖德炎等人利用多孔石墨的毛細管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一種定形相變材料的相變溫度、相變潛熱和熱穩(wěn)定性，得出硬脂酸丁酯含量的臨界值。研究表明，硬脂酸丁酯與納米多孔石墨形成的定形相變材料相變溫度合適、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好，是適合于在建筑墻體中使用的相變材料。對不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨復合材料利用差熱掃描儀進行DSC測試顯示，相變復合材料的峰值溫度為26℃，與純硬脂酸丁酯的熔點相同，即定形相變材料的熔點不變，為硬脂酸丁酯的熔點。定形材料的潛熱隨硬脂酸丁酯含量的變化而變化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相變材料的相變潛熱越大，近似呈線性關系。此定形相變材料的蓄熱性能、均勻性和熱穩(wěn)定性好，具有較大的相變潛熱，其相變溫度在26℃，適合做室溫相變材料，有助于建筑節(jié)能。此定形相變材料中硬脂酸丁酯的含量又一個滲出臨界值，當硬脂酸丁酯質量含量達到90%時，有細微滲出，使用時建議把含量控制在85%以內。這種定形相變材料在經(jīng)過多次熱循環(huán)之后其相變潛熱變化較小，具有良好的熱穩(wěn)定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相變材料是較好的可應用于建筑墻體的相變材料。

6.2013年，新鄉(xiāng)學院能源與燃料研究所的周建偉等人以氧化石墨烯為基質、硬脂酸為儲熱介質用液相插層法成功制備了硬脂酸/氧化石墨烯相變復合材料。其中以氧化石墨烯維持材料的形狀、力學性能，把硬脂酸嵌在片層結構的氧化石墨烯基質中，通過相變吸收和釋放能量，提高其儲熱、導熱性能和循環(huán)性能。該相變材料具有適宜的相變溫度和較高的相變潛熱，相變材料與基質具有較好的相容性，在相變過程中沒有液體泄漏現(xiàn)象，復合相變儲熱材料儲/放熱時間比硬脂酸減少，且熱穩(wěn)定性良好。實驗表明，硬脂酸質量分數(shù)為40%的硬脂酸/氧化石墨烯復合相變材料的相變溫度為67.9℃，相變潛熱為289.2J/g。經(jīng)過連續(xù)冷熱循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，復合相變材料的儲熱/放熱時間比純硬脂酸縮短，相變溫度和相變潛熱變化較小，表明硬脂酸/氧化石墨烯復合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性和兼容性。因此，通過此方法一方面將硬脂酸局限在片層結構中，解決了相變過程中的滲出泄露問題；另一方面，利用氧化石墨烯良好的熱傳導性提高復合相變材料的傳熱效率，彌補了硬脂酸在導熱、換熱方面的缺陷。

7.2013年10月12日到10月16日，在上海舉辦的中國高分子學術論文報告會上，四川大學高分子材料科學與工程學院亓國強等人提出了他們的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相變儲能材料的制備與性能研究，研究發(fā)現(xiàn)聚乙二醇（PEG）是一種性能優(yōu)良的固-液相變儲能材料。相變過程中會發(fā)生熔體流動泄露，故需要對其進行封裝，但封裝又會降低其熱導率，影響工作效率，增加成本。因而加入另一種物質作為支撐定型材料，制備復合定型相變材料成為另一種選擇。但通常過高的添加量會嚴重影響材料的儲能性能。于是通過向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作為定型支撐材料，用溶液共混法在 GO 含量僅為 8%時成功制備了 PEG/GO 定型相變儲能材料。該材料在超過熔點一倍時仍保持形狀穩(wěn)定。GO 的加入對相變材料熔點基本沒有影響，但在低含量下促進結晶，當含量高于 4wt%時阻礙結晶的進行。相變潛熱隨 GO 含量的提升有所下降，但在能維持材料定型的最低含量（8wt%）時，仍高達 135 J/g，可以有效應用于儲能領域。該材料在經(jīng)歷 200 次升降溫循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱變化不大，較穩(wěn)定，具有良好的可重復使用性。

8.遠在大洋彼岸，來自于加州大學河濱分校，加利福尼亞大學的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在進行關于鋰電池的研究。鋰電池在在移動通訊和交通動力中扮演著重要角色，但是由于其自身的自加熱作用使得使用壽命大大縮短，為了解決這一問題，學者們經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)鋰電池的可靠性通過將石墨烯作為填充材料能夠大大的改善。傳統(tǒng)的熱管理電池由于其相位只在一個很小的溫度范圍內變化，減小了電池內溫度的上升，故只能依賴于潛在的儲熱能。而將石墨烯摻入碳氫化合物相變材料中可以將其導電能力提高到原來的兩個數(shù)量級倍，同時還保持潛儲熱能力。顯熱-潛熱相結合的熱傳導組合能夠大大地減少鋰電池內部溫度的上升。儲熱-熱傳導的方法即將在鋰電池和其他類型電池的熱管理領域引領一場變革。

9.2008年4月24日來自于首爾崇實大學工學院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一種具有高導電性和高儲熱能力的相變材料。使用剝離的石墨烯納米片，石墨烯相變材料可以提高在液晶中的高導電性，熱穩(wěn)定性以及潛儲熱能力。在掃描電子顯微鏡顯示下，石墨烯相變材料均勻分布在液晶中，而良好的均勻分布意味著高導電能力。石墨烯復合相變材料的熱穩(wěn)定能力在石墨烯內部結構的幫助下得到提升。而且，由于相變材料的電熱穩(wěn)定性，石墨烯復合相變材料具備了可持續(xù)再生能力。石墨烯相變復合材料在差示掃描熱量法的熱曲線中有兩個峰，第一次在固-固過渡階段，溫度較低，峰顯示為35.1度；第二次是固-液相變階段時溫度較高，峰顯示為55.1度。石墨烯可以在保有其潛儲熱能力的情況下提高材料的熱穩(wěn)定性。相變材料具有高儲熱，低成本，無毒和無腐蝕性等特點而具有美好的前景。最近，一些無機，有機以及它們的混合物正在被應用于相變材料中，成為熱門的研究課題。

10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作為改性添加劑改良十八醇相變材料在《Physical chemistry》上發(fā)表了文章。和很多有機相變材料一樣，十八醇也具有熱導率低，換熱性能差，以及存在泄漏問題等缺點。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高導熱的特點，添加很低含量的石墨烯，就可以達到顯著提高熱導率、改良十八醇的目的。然而由于部分相變材料分子被限制在石墨烯層間空隙中，在工作溫度范圍并沒有發(fā)生相變，從而使加入石墨烯后的復合材料的相變焓低于原相變材料，造成儲熱能力的損失。實驗中，當石墨烯含量（質量分數(shù)）達到4%時，材料的熱導率增加到原來的2.5倍，此時其相變焓只降低了15.4%。而如果用銀納米線代替石墨烯，要達到同等的熱導率，需要使其含量達到45%，并帶來高達50%的相變焓損失。綜合實驗表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明顯儲熱損失的前提下明顯改良有機相變材料的熱性能，為通過潛熱的儲存/釋放實現(xiàn)熱管理和熱保護提供了新的可行性方案。

11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上發(fā)表文章，闡述了有關石墨烯提高石蠟導熱系數(shù)的研究成果。實驗另辟蹊徑，對比了剝離石墨薄片和石墨烯作為改性添加劑對于石蠟相變材料的不同影響。實驗結果表明，剝離石墨薄片帶來的熱導率增量更高，石墨含量為10%的石蠟/石墨薄片復合材料的熱導率為純石蠟的十余倍。石墨烯表現(xiàn)出了極好的導電性，石蠟/石墨烯的電導率要遠高于石蠟/石墨薄片，但是其熱導率的增量比石墨薄片小。原因在于，雖然單層石墨烯熱導率極高，但是石墨烯片層間微小空隙內存在的大量界面嚴重阻礙了熱傳導。同時，實驗也發(fā)現(xiàn)，石墨烯在定形方面的作用要遠過于石墨薄片。石墨含量2%的石蠟/石墨烯相變復合材料中，石蠟能在185.2℃高溫下保持形態(tài)，這遠遠超過了石蠟相變的溫度范圍。而石蠟/石墨薄片復合材料中石蠟只能保持形態(tài)到67.0℃。少量的石墨烯和剝離石墨薄片都能作為低成本、高效率的改性添加劑應用于石蠟相變材料的導熱和定形方面的改良。

12.馬來西亞的Mohammad Mehrali等人對石蠟/石墨烯相變復合材料進行了系統(tǒng)的研究和測試。該項目應用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等設備對制得的石蠟/石墨烯復合材料的材料特性和熱學性能進行了測試和分析。所測試的石蠟質量分數(shù)為48.3%的樣品在相變過程中無泄漏現(xiàn)象發(fā)生，為定形相變材料。SEM圖像顯示石蠟嵌入了石墨烯片層間的孔隙。FT-IR分析結果顯示石蠟與石墨烯之間沒有化學反應發(fā)生。試驗進行了2500次熔化/凝固熱循環(huán)檢測來確認其熱可靠性和化學穩(wěn)定性。TGA測試結果顯示，氧化石墨烯增強了復合材料的熱穩(wěn)定性。該相變復合材料的熱導率從0.305(W/mk)顯著提升到0.985(W/mk)。測試結果表明，石蠟/氧化石墨烯復合材料具有良好的熱學性能、熱可靠性、化學穩(wěn)定性和導熱性，很適合做熱管理和熱儲存材料。總結：

相變儲能材料，通過材料相變時吸收或釋放大量熱量實現(xiàn)能量的儲存和利用，以其巨大的相變潛熱，在未來的能源利用和熱管理領域具有很廣泛的開發(fā)和應用價值。而大多數(shù)相變材料存在的導熱率抵、換熱性能差、相變過程發(fā)生泄漏等缺陷使其很難直接被應用于生產生活中。因此，需要一種改性填充材料來增加相變材料的導熱換熱性能，同時需要對相變材料進行定形和封裝。而石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)和研究成果的公布，給相變材料的研究和應用指明了道路。一方面，石墨烯的高導熱性能很好地改善了相變材料的熱性能，同時，其良好的化學穩(wěn)定性和熱學可靠性使其作為改性添加劑不與相變材料本體發(fā)生化學反應；另一方面，低密度、高強度的石墨烯結構能夠使復合材料在較低石墨烯含量下就達到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加劑，石墨烯對相變材料的相變溫度、相變潛熱和儲熱能力的減益效果要小得多。正是從這兩方面出發(fā)，石墨烯作為導熱定形的改性材料，在相變儲能材料領域得到廣泛認可和應用。大量實驗采用了以相變材料作為工作物質，通過其相變過程儲/放熱，同時以石墨烯作為載體基質，增加材料導熱性能和不流動性的實驗思路進行相變導熱材料的設計、制備和改良。相信隨著對石墨烯研究的深入和石墨烯制備工藝的進步，石墨烯會以更突出的性能改良相變材料，從而獲得更有實踐和應用價值的石墨烯/相變復合儲能材料，為能源可持續(xù)和熱管理領域帶來更大的發(fā)展，為人類創(chuàng)造出更科學、更環(huán)保、更舒適的生活環(huán)境。

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【9】Sumin Kim a,?, Lawrence T.Drzal b Solar Energy Materials & Solar Cells USA Department of Architecture, College of Engineering, Soongsil University, Seoul 156-743, Republic of Korea Composite Materials and Structures Center, College of Engineering, Michigan State University, East Lansing, 2008 【10】Fazel Yavari, Hafez Raeisi Fard, Kamyar Pashayi,etc.Enhanced Thermal Conductivity in a Nanostructured Phase Change Composite due to Low Concentration Graphene Additives[J].J.Phys.Chem.C 2011, 115, 8753–8758.【11】Jia-Nan Shi , Ming-Der Ger , Yih-Ming Liu.Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives[J].CARBON,51(2013): 365—372.【12】Mohammad Mehrali, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali.Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite[J].Energy Conversion and Management,67(2013): 275—282.

第四篇：碳納米材料與技術論文報告-石墨烯電光性質

石墨烯的電光性質

龍

（磁學與超導 上海）

隨著對石墨烯的研究的深入，石墨烯經(jīng)歷了艱難的尋找制備手段，到現(xiàn)在的豐富的制備方法，目前比較熱門的制備方法有，撕膠帶法/輕微摩擦法，最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來；碳化硅表面外延生長，該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層；金屬表面生長，主要是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯；氧化減薄石墨片法，即石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯，等等。對于研究的性質也有很多方面，比如，原結構，電子性質，這里主要是電子傳輸；光學性質；自旋傳輸；異常量子霍爾效應；石墨烯氧化物；化學改性；熱性能；機械性能等。當然，石墨烯潛在應用也有很多，作為研究磁光方向的研究生，當然關注的是電子性質和光學性質，下面就主要探討這兩個方面。

關鍵字：石墨烯，電子性質，光學性質，磁光

1.電子性質

下面我先討論一下電子性質。石墨烯的性質與大多數(shù)常見的三維物質不同，純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體。理解石墨烯的電子結構是研究其能帶結構的起始點。科學家根據(jù)石墨烯能帶結構圖，很早就察覺，對于低能量電子，在二維的六角形布里淵區(qū)的六個轉角附近，能量-動量關系是線性關系：，其中，是能量，是約化普朗克常數(shù)，與分別為波矢量的x-軸分量與y-軸分量。

是費米速度，這引至電子和空穴的有效質量（effective mass）都等于零。1,2因為這線性色散關系，電子和空穴在這六點附近的物理行為，好似由狄拉克方程描述的相對論性自旋1/2粒子。2所以，石墨烯的電子和空穴都被稱為狄拉克費米子，布里淵區(qū)的六個轉角被稱為“狄拉克點”，又稱為“中性點”。在這位置，能量等于零，載子會從空穴變?yōu)殡娮樱瑥碾娮幼優(yōu)榭昭ā?/p>

電子傳輸測量結果顯示，在室溫狀況，石墨烯具有驚人的高電子遷移率（electron mobility），其數(shù)值超過15,000 cm2V?1s?1。從測量得到的電導數(shù)據(jù)的對稱性顯示，空穴和電子的遷移率應該相等。在10K和100K之間，遷移率與溫度幾乎無關，3可能是受限于石墨烯內部的缺陷所引發(fā)的散射。在室溫和載子密度為1012cm?2時，石墨烯的聲子散射體造成散射，將遷移率上限約束為200000cm2V?1s?1。與這數(shù)值對應的電阻率為10?6Ω·cm，稍小于銀的電阻率1.59 ×10?6Ω·cm。在室溫，電阻率最低的物質是銀。所以，石墨烯是很優(yōu)良的導體。對于緊貼在氧化硅基板上面的石墨烯而言，與石墨烯自己的聲子所造成的散射相比，氧化硅的聲子所造成的散射效應比較大，這約束遷移率上限為40000cm2V?1s?1。4

雖然在狄拉克點附近，載子密度為零，石墨烯展示出最小電導率的存在，大約為數(shù)量級。造成最小電導率的原因仍舊不清楚。但是，石墨烯片的皺紋或在SiO2基板內部的離子化雜質，可能會引使局域載子群集，因而容許電傳導。有些理論建議最小電導率應該為

。但是，大多數(shù)實驗測量結果為

數(shù)量級，而且與雜質濃度有關。在石墨烯內嵌入化學摻雜物可能會對載子遷移率產生影響，做實驗可以偵測出影響程度。曾經(jīng)有人將各種各樣的氣體分子（有些是施體有些是受體）摻入石墨烯，他們發(fā)覺，甚至當化學摻雜物濃度超過1012cm?2時，載子遷移率并沒有任何改變。5另一組實驗者將鉀摻入處于超高真空（ultra high vacuum）、低溫的石墨烯，他們發(fā)現(xiàn)鉀離子的物理行為與理論相符合，遷移率會降低20倍。假若，將石墨烯加熱，除去鉀摻雜物，則遷移率降低效應是可逆的。

由于石墨烯的二維性質，科學家認為電荷分數(shù)化（低維物質的單獨準粒子的表觀電荷小于單位量子）會發(fā)生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造量子計算機所需要的任意子元件的合適材料。2.光學性質

最后我們了解一下石墨烯中的光學性質。根據(jù)理論推導，懸浮中的石墨烯會吸收的白光；其中是精細結構常數(shù)。一個單原子層物質不應該有這么高的不透明度（opacity），單層石墨烯的獨特電子性質造成了這令人驚異的高不透明度。更令人詫異的是，這不透明度只與精細結構常數(shù)有關，而精細結構常數(shù)通常只出現(xiàn)于量子電動力學，很少會在材料學領域找到它。由于單層石墨烯不尋常的低能量電子結構，在狄拉克點，電子和空穴的圓錐形能帶（conical band）會相遇，因而產生高不透明度結果。實驗證實這結果正確無誤，石墨烯的不透明度為，與光波波長無關。但是，由于準確度不夠高，這方法不能用來決定精細結構常數(shù)的度量衡標準。

近來，有實驗示范，在室溫，通過施加電壓于一個雙閘極雙層石墨烯場效晶體管，石墨烯的能隙可以從0 eV調整至0.25 eV，大約5微米波長。6通過施加外磁場，石墨烯納米帶的光學響應也可以調整至太赫茲頻域。7 3.總結

石墨烯作為一個新型材料，其獨特的二維的六角形型結構，使得石墨烯的電子和空穴都可看做狄拉克費米子，六角處能量等于零，載子從空穴變?yōu)殡娮樱瑥碾娮幼優(yōu)榭昭āＡ硗猓捎谑┑亩S性質，使得石墨烯中很可能發(fā)生電荷分數(shù)化（低維物質的單獨準粒子的表觀電荷小于單位量子），這樣石墨烯就可能是制造量子計算機所需要的任意子元件的合適材料。單層石墨烯的獨特電子性質造成了令人驚異的高不透明度；另外，通過施加外磁場，石墨烯納米帶的光學響應也可以調整至太赫茲頻域。石墨烯這些獨特的電子性質和光學性質，為我們打開了研究物性和新型材料的大門。

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