石墨烯：改變世界的新材料 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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編輯推薦

2004年，康斯坦丁博士通過膠帶從石墨上分離齣石墨烯這種“神器的材料”

石墨烯具有非同尋常的導電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超齣鋼鐵數十倍的強度，極好的透光性……

它的齣現在全世界範圍內引起瞭極大轟動，各國也開始高度重視，搶灘石墨烯研發。

歐洲的旗艦計劃，韓國的石墨烯國傢戰略，新加坡的國傢石墨烯研究院。

石墨烯從納米級的“綠色”科技傳感器，以及未來的導電塗層等方麵，都具有極大的應用潛力

石墨烯很前沿，很熱？

但是你真的瞭解石墨烯嗎？

你瞭解石墨烯的生産方法嗎？

你瞭解石墨烯的結構和特性嗎？

你瞭解石墨烯的鑒定和錶徵嗎？

你瞭解石墨烯的應用嗎？

……

調查發現，大傢普遍對石墨烯的認知不足。

不是隻有單層石墨烯纔成為石墨烯。石墨烯並非“超級材料”，更多的是需要把石墨烯當做功能材料來滿足相關應用技術要求，石墨烯的的商業化與産品應用需求密切相關。

想瞭解石墨烯您需要本書。

內容簡介

石墨烯被譽為“神奇的材料”，從納米級的“綠色”科技到傳感器，以及未來的導電塗層等方麵，都具有極大的應用潛力。��

本書涉及石墨烯的方方麵麵——曆史、基本特性、生産方式以及應用等。本書既可視為科學論著也可作為技術指南，為具有一定科學背景或本科工科背景以及從事石墨烯應用行業的讀者們提供學習途徑。

石墨烯的研究領域寬泛且發展迅猛，此書的目的在於為讀者提供石墨烯的相關信息，以及在當下甚至未來可立即賦予實施的、簡明扼要的應用信息。讀罷此書，讀者所獲得的知識將足以使其在石墨烯的研發與應用領域繼續獨立探索前行。

作者簡介

瑪杜麗·沙倫

現任一傢商業化生産碳納米材料和導電玻璃的印度公司—莫納德納米科技有限公司執行董事。

馬赫斯赫瓦爾·沙倫

印度理工學院教授，現於印度馬哈拉施特拉邦比爾拉技術與科學學院主管納米技術中心。

精彩書評

許子寒｜深圳六碳科技有限公司創始人

本書在石墨烯的基本性質、應用方嚮、工業化和商業化方麵都有涉及，很適閤作為希望對石墨烯這一産業有較為全麵瞭解人士的入門啓濛書籍。

蔣 旭｜南京先豐納米材料科技有限公司總經理

石墨烯材料具有非常優異的性能，其廣闊的應用前景在全球科技界和工業界一石激起韆層浪。正如本書所寫，石墨烯可以用在儲能、光電、傳感器、電力發電、醫療等眾多領域，誰能盡快在石墨烯領域取得重大突破，誰就有可能在新一屆的材料革命中拔得頭籌，占領先機。另外，本書還詳細介紹瞭石墨烯基本理論及工業化應用，對於準備進入石墨烯行業的初學者來說是一個不錯的選擇。

目錄

推薦序一

推薦序二

推薦序三

原書前言

原書序

第1章石墨烯的曆史

第2章石墨烯的結構及特性

2.1石墨烯的結構

2.1.1碳

2.1.2石墨.

2.1.3石墨烯

2.1.4石墨烷

2.1.5石墨酮

2.2石墨烯結構的無序性

2.2.1褶皺結構

2.2.2拓撲缺陷

2.2.3吸附原子

2.2.4裂紋或斷裂

2.3石墨烯的特性

2.3.1力學性能

2.3.2熱學性能

2.3.3光學特性

2.3.4化學穩定性及反應性

2.3.5廣受關注的電學特性

2.3.6半導體特性

2.4小結

第3章納米石墨烯與碳量子點

3.1納米石墨烯

3.1.1納米石墨烯的結構

3.1.2納米石墨烯的特性

3.1.3納米石墨烯的製備

3.1.4納米石墨烯的應用

3.2石墨烯量子點或碳量子點

3.2.1碳量子點的結構

3.2.2碳量子點的特性

3.2.3碳量子點的製備

3.2.4碳量子點的應用

3.3小結

第4章石墨烯的鑒定和錶徵

4.1導言

4.2顯微鏡法

4.2.1石墨烯掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微鏡錶徵

4.2.2石墨烯原子力顯微鏡錶徵

4.3光譜法

4.3.1石墨烯的拉曼光譜分析

4.3.2石墨烯的紅外光譜分析

4.3.3石墨烯的紫外�部杉�光譜分析

4.3.4石墨烯的X射綫衍射分析

4.3.5石墨烯的X射綫光電子能譜分析

4.3.6石墨烯的核磁共振分析

4.3.7石墨烯的動態光散射

4.3.8石墨烯的雙偏振乾涉測量分析

4.4光學特性分析

4.4.1光學吸收及非綫性剋爾效應

4.4.2光緻發光／藍光、光緻發光

4.4.3光學能隙

4.5力學性能的測試

4.5.1楊氏模量

4.5.2泊鬆比

4.5.3膨脹試驗

4.5.4拉力試驗／張力試驗

4.5.5石墨烯膜的氣體泄漏率

4.6熱特性及熱反應分析

4.6.1熱導率

4.6.2熱重分析及熱穩定性

4.7電學特性的錶徵

4.7.1電子學

4.7.2電子傳遞

4.7.3電化學氧化還原

4.8功函數

4.9量子反常霍爾效應

4.10自鏇輸運

4.11小結

第5章改變石墨烯的特性

5.1導言

5.2改造磁性

5.3提高石墨烯的力學性能

5.3.1聚閤物內分散均勻的石墨烯

5.3.2化學交聯

5.3.3氫化

5.4設計場發射特性

5.5設計石墨烯的帶隙或能隙

5.6設計石墨烯的電學特性

5.6.1設計石墨烯的電學特性使其應用於晶體管

5.6.2設計石墨烯的電學特性使其應用於太陽能電池

5.6.3設計石墨烯的電學特性使其應用於圖案化石墨烯

5.6.4設計石墨烯的電化學特性使其應用於超級電容器

5.6.5設計石墨烯的壓電特性

5.6.6設計石墨烯的電學特性使其應用於燃料電池

5.7設計石墨烯的結構特性

5.7.1設計石墨烯的復閤結構

5.7.2設計石墨烯的超結構

5.7.3設計石墨烯的異質結構

5.7.4石墨烯的缺陷

5.8小結

第6章石墨烯的應用

6.1應用前景

6.1.1高比強度相關領域的應用

6.1.2高比錶麵積相關領域的應用

6.1.3電能儲存

6.1.4熱管理

6.1.5高彈性相關領域的應用

6.1.6電子和光電設備

6.1.7輕質電導體

6.1.8透明柔性導電抗氧化膜

6.1.9石墨烯薄膜抗滲透性的相關應用

6.1.10聚閤物復閤材料的增強

6.1.11傳感器

6.1.12電力發電

6.1.13柔性襯底

6.1.14新材料模闆

6.1.15基於石墨烯化學特性研發的生物裝置

6.1.16醫療領域

6.1.17紡織和織物領域

6.2小結

第7章量産趨勢：由實驗室走嚮工業化（擴大規模）

7.1石墨的剝離：自上而下的方式

7.1.1微機械剝離或多次剝離石墨

7.1.2液相化學剝離石墨

7.1.3液相水剝離氧化石墨

7.1.4熱液相剝離氧化石墨

7.2縱嚮解開碳納米管

7.2.1選擇性刻蝕或等離子刻蝕

7.2.2氧化法

7.2.3堿金屬原子插入法

7.2.4碳納米管的催化解開

7.2.5水熱法

7.2.6超聲化學法打開多層碳納米管

7.3化學氣相沉積法

7.4石墨烯在碳化矽上的外延生長

7.5氧化石墨烯的還原

7.5.1熱還原氧化石墨烯

7.5.2水熱還原氧化石墨烯

7.5.3溶劑熱還原氧化石墨烯

7.5.4化學還原氧化石墨烯

7.5.5電化學還原氧化石墨烯

7.5.6氫等離子體還原氧化石墨烯

7.5.7氙閃光管還原氧化石墨烯

7.5.8膨脹還原劑還原氧化石墨烯

7.5.9光催化還原氧化石墨烯

7.5.10多步還原

7.6弧放電法

7.7溶劑熱法

7.8石墨烯的無基底氣相閤成

7.9其他生長法

7.10小結

第8章石墨烯片直接轉移或捲對捲式轉移至理想的基底

8.1導言

8.2使用刻蝕法和挖取法直接轉移石墨烯

8.3在刻蝕和挖取過程中使用石墨烯保護介質直接轉移石墨烯

8.3.1聚甲基丙烯酸甲酯

8.3.2聚碳酸酯

8.3.3聚二甲基矽氧烷

8.3.4直接轉移至柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯

8.4捲對捲閤成及轉移石墨烯

8.4.1使用導熱膠帶進行捲對捲連續轉移

8.4.2通過熱壓法，捲對捲式轉移至覆蓋有透明聚對苯二甲酸乙二醇酯膜的乙烯、乙酸乙烯酯共聚物

8.4.3使用光固化環氧樹脂捲對捲轉移至聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜

8.5捲對捲轉移石墨烯片的裝置

8.5.1成均館大學研究與商業基金會研發的捲對捲石墨烯閤成及轉移的專利裝置

8.5.2四輥式捲對捲係統

8.5.3山田法

8.6轉移過程中最大限度減少缺陷或裂紋

8.6.1選擇閤適的目標基底

8.6.2避免使用刻蝕劑

8.7小結

9石墨烯在工業和商業用途中麵臨的挑戰及其經濟效益

9.1導言

9.2石墨烯工業

9.2.1生産及應用石墨烯的公司

9.2.2支持石墨烯相關活動的公司

9.2.3終端用戶市場及目標客戶

9.3石墨烯的商業化

9.3.1製造理想的帶隙

9.3.2高生産成本

9.4石墨烯及其相關産業經濟

9.5石墨烯及其前景

9.5.1柔性電子屏幕

9.5.2具備超高機械強度的石墨烯復閤材料

9.5.3石墨烯替代SD閃存卡

9.5.4新一代揚聲器

9.5.5更快的計算機芯片和寬帶

9.5.6超強防彈衣

9.5.7石墨烯無人機

9.6石墨烯的未來設想

9.7小結

參考文獻

精彩書摘

能源業已逐漸成為購買以石墨烯為基礎的材料的大客戶，用於生産蓄能器、太陽能電池以及過濾器。在此，客戶名單包括巴斯夫股份公司(BASF)、拜耳公司（Bayer）和陶氏化學公司（Dow Chemical）。

角鬥士財團，包括來自七個歐洲國傢的成員，將其重點放在以石墨烯為基礎的儲能材料的商業化上。該財團包括八傢企業以及六所大學和研究所。

石墨烯電池和電極已顯示齣許多先進之處。西北大學的研究人員已於2011年閤成瞭一種石墨烯電極，它將鋰電池的蓄電量增加瞭10倍，充電快10倍且更持久。電池陽極由石墨烯片組成，在上麵打上許多10～20nm的小孔，且在兩個石墨烯片中間會引入矽簇。在石墨烯片上打小孔的優點在於鋰離子無需在每個石墨烯層的外部邊緣進行傳送，而是在石墨烯上已打好的小孔中直接傳送。Vorbeck Material開發生産瞭石墨烯鋰電池。2013年，總部位於密歇根州的XG Sciences 公司也已開發齣一種用石墨烯做陽極的鋰電池，這比傳統電池的蓄電量高四倍。該公司得到瞭來自美國能源部的財政支持。

石墨烯超級電容器公司發現石墨烯是一種最有希望實現高性能超級電容器的材料，因為以石墨烯為基礎的超級電容器顯示齣高穩定性，並提升雙層電容器的電學性能，以及在高電流密度下保持快速充放電和高能量密度，這一點歸功於增強瞭離子電解質與深層區域的接觸性。最近一項突破是加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員開發齣瞭微型石墨烯超級電容器。他們將矽簇插入石墨烯片的每層之間。不言而喻，電子設備的小型化是目前的大勢所趨。此外，將矽簇插入石墨烯片的每層之間還有另一個優點。純石墨烯隻可攜帶1個鋰原子／6個碳原子，而每個矽原子可支承4個鋰原子。因此，電池陽極的蓄能量更大，可以儲存30000mA·h而非3000mA·h的電量。已證明它的充電時間也有所增強，15min即可充滿電而非2h。然而，目前尚無使用石墨烯的超級電容器投入市場。

萊斯大學的研究人員正努力生産3D超級電容器。2014年12月，他們宣布通過使用其設計的激光誘導石墨烯（LIG），生産齣瞭3D超級電容器。在激光誘導石墨烯加工過程中，一束由計算機控製的激光燒蝕一種聚閤物以生産齣一種適用於電子産品或蓄能器的柔性、定型多層石墨烯片。通過在每個聚閤物片的兩麵用鐳射光燒蝕石墨烯，他們已製造齣瞭超級電容器。該部分同中間的固態電解質進行堆加以獲得一個多層構造的微型超級電容器。他們準備將其尺寸放大，用於商業應用。因為他們發現與鋰離子電池相比，同樣尺寸的LIG超級電容器有3倍的動力性能（能量流動速度）。此外，LIG超級電容器是柔性的，且能在常溫下的戶外製成而不需要特殊的環境。LIG超級電容器必定能用於多種柔性電子産品。

另一項則是加拿大公司Lomiko Metals和Graphene ESD之間的閤作。這兩傢公司共同努力開發成本低廉的以石墨烯為基礎的超級電容器。這種電容器能承受很高的放電電流並且可作為電子産品、電動車和電力網的萬能儲能電容器。

前言/序言

原書前言

科學，是對錯綜復雜的自然法則持之以恒的探索，從小小的原子到浩瀚的宇宙，涉足其中一個特彆的領域，即進入一門科學，如納米科學和納米技術。石墨烯是基於對碳納米科技研究的産物，現已進入研究成就的頂峰時期，不斷激勵著多學科研究為各行各業提供可行性解決方案。在基於石墨烯的材料研究領域，已取得若乾進展，如在相關能源應用領域，對燃料電池、超級電容及光電設備的研發。石墨烯及石墨烯復閤材料，其自身擁有的獨特屬性，使之與能量收集領域産生瞭重要關聯。此外，目前在過濾重金屬離子和其他汙染物領域，石墨烯的應用也是斐然可觀。2010年研究石墨烯的科學傢安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫榮獲諾貝爾奬，吸引瞭眾多特彆是電子領域的研究者對石墨烯卓越性能的關注。

此書中我們試圖盡自己的菲薄之力，呈現石墨烯的研究現狀，以期應用於各行業。我們將這些研究成果置於科學、技術、商業及經濟領域中，評估應用這些科技的可能性以及其與能源、微型化、通信、交通和醫療領域的相關性。

此書既闡述科學和技術細節，也涉及當今工業方法及需求，試圖為在工業、學術、醫療領域涉足石墨烯科學及技術應用的新手、研究人員，從事研發創新的政府人員、企業傢、工程技術人員、相關專業的學生和對此感興趣的非專業人士提供參考。本書的讀者是已經受過一定的專業教育，但或許對石墨烯技術還不夠精通的人員。

原書序

石墨烯是世界上最為精妙的材料之一，它的厚度僅和原子相當，而其延展幅度卻可以達到毫米級甚至厘米級。在2004年首例單層石墨烯製備之前，人們認為石墨烯是終極薄型“理想的”石墨，也是“神奇的”單壁碳納米管。2010年研究石墨烯的科學傢獲得瞭諾貝爾奬。拜其所賜，此後，湧現齣眾多關於石墨烯的研究。能夠觸及和跟進石墨烯每一個相關領域的研究成果並非易事。因此，齣版一本文字簡潔、內容緊湊的頂級石墨烯書籍，已是業界翹首以盼之事。

瑪杜麗·沙倫（Madhuri Shuron）教授和馬赫斯赫瓦爾·沙倫（Maheshwar Sharon）教授此番大作的問世，正是順應時勢，眾望所歸。此書內容豐富、涉獵廣泛，論及瞭石墨烯的基礎結構、力學與電學特性，石墨烯技術的廣泛應用，乃至石墨烯的工業化及商業化，可謂麵麵俱到，精彩紛呈。

2015年5月 篠原久典

名古屋大學化學係

名古屋，日本

推薦序一

自2004年安德烈·海姆（Andre Geim）博士的團隊從高定嚮石墨中機械剝離齣單層石墨烯以來，這種擁有各種世界之最的材料的研發熱度從單純的學術研究拓展到瞭工業領域，並可能在多個方麵改善或者徹底改變現有的材料體係。

石墨烯擁有所有材料中最高的載流子遷移速率，這就像給電子和空穴的運動提供瞭高速公路，徹底革新目前的半導體材料和器件；石墨烯擁有所有材料中最高的熱導率，這將給睏擾電子産品最多的熱管理提供新的設計思路，並改善現有電子器件以及電子係統的設計；石墨烯是一種柔性透明導體，將在柔性電子領域替代目前廣泛應用的氧化物陶瓷材料；石墨烯擁有極大的比錶麵積，可在新型儲能器件的開發方麵發揮極大的優勢；石墨烯擁有極高的化學和光電靈敏特性，在高性能化學和光電傳感器領域也有極為關鍵的錶現……這些關鍵應用領域在本書中都有概括的內容介紹。

以上種種工業應用，都具有極大的想象空間，這也是為什麼全世界都掀起瞭石墨烯學術和工業研究的熱潮，如歐洲的旗艦計劃、韓國的石墨烯國傢戰略、新加坡的國傢石墨烯研究院等。中國的石墨烯研究和開發雖然在前沿領域的進展落後於歐美日同行，但在石墨烯工業化方麵卻是最積極、花費人力和物力最多的。在材料科研領域，和石墨烯相關的科研課題數目是最多的；在工業領域，中國也誕生瞭幾十傢創業公司，從事和石墨烯各個方嚮相關的産品開發活動；在金融領域，中國股市上有十幾隻石墨烯相關概念股票在進行資本運作。這些努力，在一定程度上都在推動石墨烯工業化的進展。

但在一定程度上，石墨烯的工業化卻麵臨著所有新材料産業化的共同難題：慢。雖然市場對石墨烯的未來充滿瞭期待，希望石墨烯能夠充當“上帝材料”的角色，但所有新材料的發展都需要一個緩慢的過程，尤其是像石墨烯這種涉及麵極其廣泛的基礎性材料。由於它是底層的基礎材料，任何改變都會帶動整個産業鏈的技術變革。這也是隻要涉及石墨烯工業領域都會非常謹慎的原因。同時，在工業化過程中，石墨烯也需要適應原有的工藝體係。原有的工藝體係都是在原有的材料體係之上優化瞭十幾年甚至幾十年的結果。石墨烯作為新型的材料，需要調整自身的性質來適應現有的工藝體係，這在本書的第5章中也有部分敘述。

但任何的工業化技術二次開發過程都需要定嚮開發，需要一定的開發時間。以透明導電電極領域為例，石墨烯用於替代氧化銦锡（ITO）等透明導電氧化物，但石墨烯的麵電阻卻遠高於ITO。這就要求二次技術開發過程中對石墨烯做摻雜等工藝處理來接近ITO的性質。同時，由於石墨烯本身的疏水特性，原有的導電油墨也需要做新的配方調整和工藝調整，纔能配閤石墨烯用於顯示領域。這些工業化技術開發的過程，不隻需要石墨烯的研發人員在石墨烯端進行工藝調整，同時也需要在下遊應用領域和相關的配套材料領域的研發同步進行，需要上下遊共同配閤。

另一個限製石墨烯大規模應用的是工業化核心問題：成本。目前，石墨烯的製造成本相對於競爭材料還較高。不過這主要是由於石墨烯的生産量不大 石墨烯：改變世界的新材料 下載 mobi epub pdf txt 電子書 格式

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書不錯很專業很好用，買瞭好幾本用於備課和科研，幫助很大。

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