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石墨烯奈米材料. 課程 : 奈米科技 任課老師 : 顏明賢. 班級 : 四高三 A 學生 : 陳駿領 學號 :4970G008. 目錄. 前言 什麼是石墨烯 ? 研究方法與步驟 結果與討論 石墨烯能殺死大腸桿菌 心得 參考文獻. 前言. 石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，但是 英國 曼徹斯特大學 物理學家 安德烈 · 海姆 和 康斯坦丁 · 諾沃肖洛夫 ，成功地在實驗中從 石墨 中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在。
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石墨烯奈米材料 課程:奈米科技 任課老師:顏明賢 班級:四高三A 學生:陳駿領 學號:4970G008
目錄 • 前言 • 什麼是石墨烯? • 研究方法與步驟 • 結果與討論 • 石墨烯能殺死大腸桿菌 • 心得 • 參考文獻
前言 石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，但是英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在。 石墨烯是一種由碳元素組成的全新材料，超薄、強度極高、導電好、導光佳、導熱性尤其卓越。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，其原子緊密排列，連最小的氦氣體分子都無法穿透它。 石墨烯未來將可以結合成各項新型材料、電子元件，創造出各種材料的傑出性能,像是透明觸控螢幕、光板、甚至是太陽能電池。
什麼是石墨烯? 石墨烯（Graphene），又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。 石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導熱係數高達5300 W/m·K，高於碳奈米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比奈米碳管或矽晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。
石墨烯的平面二維結構 石墨（多層石墨烯） 奈米碳管 巴克球（俗稱的碳６０）
研究方法與步驟 • 石墨烯的特性：它具有目前已知的最薄的厚度;(用納米材料來稱呼他都是不夠準確的～)目前已知的常溫下導電時電子速度最快的材料;在受到外部的機械力時可以柔軟地彎曲。由於它的這些極度微觀的特性，使得它還背上了許多新的使命。第一，它可以用來檢驗量子力學的許多基本定律。第二，也是我最期待的，就是它能夠大大的提高電子元件的效率——《科學美國人》將其譽為延續摩爾定律的材料。
1.請在無塵房間進行試驗。>空中飄浮的塵埃或者頭髮將嚴重損毀石墨烯樣本……2.準備好氧化硅，這樣才能觀察到石墨烯。使用鹽酸和過氧化氫混合液清潔它。3.用鑷子將石墨薄片粘附在約15～16cm長的塑料膠帶上，然後將膠帶以45度角折疊過來，貼在薄片的另一面上。這樣就把石墨薄片夾在了中間。然後慢慢地將膠帶和石墨薄片分開，這樣薄片就被平穩的分成兩片。4.重複第三步約10次。越到後面越需要小心。5.小心地將分離開來的石墨樣品連同附著的膠帶一起放在硅片上。使用塑料夾具逐漸下壓，排出膠帶和石墨樣品之間的空氣。使用夾具夾住輕輕夾住石墨樣品，保持約10分鐘，慢慢的剝離膠袋。這個步驟需要10～60s,它將最大限度地避免制得的石墨烯被撕碎。6.將基片放在物鏡為50-100倍的顯微鏡下觀察。你也許會看到大量的石墨碎片，可能是各種形狀和顏色的。如果你的Rp足夠先進，你會看到石墨烯——它非常的透明，有水晶一樣的形狀，幾乎沒有顏色。（DIY方法來自《環球科學》）1.請在無塵房間進行試驗。>空中飄浮的塵埃或者頭髮將嚴重損毀石墨烯樣本……2.準備好氧化硅，這樣才能觀察到石墨烯。使用鹽酸和過氧化氫混合液清潔它。3.用鑷子將石墨薄片粘附在約15～16cm長的塑料膠帶上，然後將膠帶以45度角折疊過來，貼在薄片的另一面上。這樣就把石墨薄片夾在了中間。然後慢慢地將膠帶和石墨薄片分開，這樣薄片就被平穩的分成兩片。4.重複第三步約10次。越到後面越需要小心。5.小心地將分離開來的石墨樣品連同附著的膠帶一起放在硅片上。使用塑料夾具逐漸下壓，排出膠帶和石墨樣品之間的空氣。使用夾具夾住輕輕夾住石墨樣品，保持約10分鐘，慢慢的剝離膠袋。這個步驟需要10～60s,它將最大限度地避免制得的石墨烯被撕碎。6.將基片放在物鏡為50-100倍的顯微鏡下觀察。你也許會看到大量的石墨碎片，可能是各種形狀和顏色的。如果你的Rp足夠先進，你會看到石墨烯——它非常的透明，有水晶一樣的形狀，幾乎沒有顏色。（DIY方法來自《環球科學》）
膠帶剝離法 將石墨薄片黏貼在一片膠布上，用另一片膠帶黏貼石墨薄片的另一面，再將兩片膠帶撕開時，會將石墨剝離成兩片更薄的石墨薄片，把這得到的石墨薄片再黏貼膠帶然後再撕開，重覆經過這個相當簡單的膠帶剝離步驟數次，製得很薄的石墨薄膜，終於能夠獲得小片單層原子厚度的石墨烯，經過處理後可將石墨烯薄膜從膠帶取下。 上圖是石墨烯薄膜放置在細小的金絲做成的網子上，在電子顯微鏡下的放大影像。 下圖是石墨烯的穿透式電子顯微鏡影像，顯示石墨烯薄膜中的碳原子排列具高次序性，更確實直接證明石墨烯的平面晶體結構，在室溫下能夠相當穩定存在。 石墨烯的電子顯微鏡影像 高解析度的電子顯微鏡顯 示石墨烯上碳原子的規則排列
結果與討論 這個成功製備石墨烯的研究結果，迅速推動許多科學家開始研究石墨烯的特性。研究結果顯示石墨烯具有許多不尋常的性質，例如石墨烯薄膜堅固易脆，但又可以曲折，兩個性質似乎互相矛盾；氣體無法穿透石墨烯薄膜；石墨烯層的導熱系數高達5300 W/m•K，比奈米碳管和金鋼石好，且其大小隨溫度升高而縮小，與任何其他物質的熱脹冷縮的性質不同；在室溫下，石墨烯的電子遷移率(electron mobility)超過15000 cm2/V•s，比奈米碳管(約10000 cm2/V•s)高，更是矽晶(1400cm2/ V•s)的10倍以上；其電阻為約10 6 Ω•cm，比銅或銀金屬更低，是目前所有已知材料中，在室溫下具最低電阻的材料，導電密度是銅的一百萬倍；石墨烯兼具金屬和半導體的性質，如一般目前常用的半導體材料，可以摻入不同的氣體，形成n-型或p-型的半導體，若加熱可以去除其摻入的氣體，回復原來的石墨烯。
利用膠帶剝開石墨所獲得的石墨烯，其大小一般小於1釐米，並且需要有相當經驗的人員，才能在光學顯微鏡下尋找出石墨烯薄片，因此曼徹斯特大學研究團隊中的一些具有此項專門技術的成員，最近組成了“石墨烯工業公司(GrapheneIndustries)”，但僅能專門提供石墨烯做為研究目的使用，無法滿足工業應用所需大量的石墨烯。利用膠帶剝開石墨所獲得的石墨烯，其大小一般小於1釐米，並且需要有相當經驗的人員，才能在光學顯微鏡下尋找出石墨烯薄片，因此曼徹斯特大學研究團隊中的一些具有此項專門技術的成員，最近組成了“石墨烯工業公司(GrapheneIndustries)”，但僅能專門提供石墨烯做為研究目的使用，無法滿足工業應用所需大量的石墨烯。 • 在大規模量產的需求下，美國普林斯頓大學的研究團隊發展出更有效的化學剝離法，可以大量製造石墨烯。將石墨經強酸處理後形成石墨氧化物，會使石墨內的石墨烯平面上形成氫氧或環氧的官能基，當其受熱(1100 ℃)後產生劇烈膨脹，因為加熱石墨氧化物時，官能基會分解產生二氧化碳氣體，在石墨層間產生膨脹的壓力，當石墨層內的壓力超過石墨層間的凡得瓦力作用力時，可以強行剝離石墨晶體的層狀結構，其和爆米花的原理很相近。此研究團隊可以均勻氧化石墨，使石墨層內的平面包覆一層完整的氫氧或環氧官能基，經加熱後石墨層可高度剝離，便能獲得大量的石墨烯。
石墨烯塗料Vor-ink™使用於可印刷導線於捲曲的基板上石墨烯塗料Vor-ink™使用於可印刷導線於捲曲的基板上 氧化石墨烯和石墨烯製成的紙張 石墨烯可用於製作電晶體元件 石墨烯薄膜製成的單電子電晶體，在圖中間的石墨烯點為量子點，僅讓電子一個接一個流進流出，兩端經由奈米線連接較寬的石墨烯和金屬電極 石墨烯置在可彎曲的高分子基板上製作成的電路
石墨烯能殺死大腸桿菌 中國科學家最近研究人員發現，石墨烯(graphene)能做為抗菌膜的原料。石墨烯是單層碳原子呈蜂巢晶格(honeycomb lattice)排列形成的二維材料，自2004年問世後，其獨特的電子和機械特性被認為可以應用在許多元件中，未來甚至可能取代矽在電子界的地位。現在它又多了一項功能─抑制大腸桿菌(E. coil)的生長，而且對於人類細胞沒有毒性。 上海中科院的Chunhai Fan等人發現石墨烯衍生物，如石墨烯氧化物(graphene oxide)及還原的石墨烯氧化物(reduced graphene oxide)，能抑制細菌的生長。這個發現的重要之處在於石墨烯氧化物不僅具有生物相容性(biocompatibile)，生物細胞還能長於其上，反觀其他的奈米材料(如銀)，雖以抗菌著稱，但卻常有細胞毒性的問題存在。 製造石墨烯薄膜的第一步，是先在水中合成石墨烯氧化物和還原的石墨烯氧化物，再利用真空吸引讓水溶液通濾膜，之後取下濾膜上的石墨烯氧化物和還原的石墨烯氧化物。研究人員以穿透式電子顯微鏡(TEM)進行觀察，發現在石墨烯薄膜上的大腸桿菌，細胞膜受到嚴重的破壞。研究人員認為石墨烯會進入菌體細胞質(cytoplasm)中的內質體(endosome)，再將其推出細胞。在37°C下，菌體只需與每毫升85克的石墨烯溶液接觸兩小時，99%的菌就會受到破壞，相形之下，這種奈米薄膜對哺乳動物的細胞是沒有毒性的。 該團隊未來將致力於找出石墨烯氧化物抗菌的原因，希望最終能發展出直接使用在皮膚傷口上的抗菌材料，然而，如何大量製造石墨烯奈米材料，特別是大片的石墨烯薄膜，都將是未來要克服的問題。 抗菌活性氧化石墨納米片 <原始網站:http://nanotechweb.org/cws/article/tech/43221 >
心得 由於石墨烯有著非常不尋常的機械、結構、電性和其他性質，是世界上最薄的材料，在基礎科學具有獨特的意義和龐大的商業應用潛力，不但可以運用在產業研究上,近年來更應用在醫學研究上,因此很快地成為目前科學研究的焦點，其發展將開啟石墨烯一系列的新應用，勢必引發另一新材料的風潮。
參考文獻 • http://www.pidc.org.tw/zh-tw/div3/32/321/Pages/2010/10/PBN2010100601.aspx • http://www.knsi.com.tw/KangSiNet/_Html/Teacher/KnsiPeaper/chem/0006_980047(%E5%8C%96%E5%AD%B8).pdf • http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%9F%B3%E5%A2%A8%E7%83%AF#.E7.AE.80.E4.BB.8B • http://tw.myblog.yahoo.com/jw!lSV3a_OFHQSOqtFOaApP6w--/article?mid=1722 • http://cmnst.ncku.edu.tw/files/14-1023-69817,r523-1.php <工研院研發石墨烯複合材料 刊登日期 2010/10/6> <98康熹化學報報11月號 - 世界上最薄的材料 石墨烯 - 台灣師範大學化學系/洪偉修教授> <維基百科,自由的百科全書-石墨烯> <尖端科技.石墨烯> <成功大學 微奈米研究中心 石墨烯能殺死大腸桿菌>
