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第1章 引言1

1.1 关于本书2

参考文献3

第2章 石墨烯及类似物的原子结构4

2.1 石墨烯4

参考文献8

2.2 双层、三层及少层石墨烯10

参考文献11

2.3 石墨烯与碳纳米管之间的关系12

参考文献15

2.4 其他层状二维晶体17

2.4.1 引言17

2.4.2 氮化硼纳米片层18

2.4.3 过渡金属二硫化物20

2.4.4 过渡金属氧化物23

2.4.5 硅烯24

2.4.6 石墨烯氧化物和还原石墨烯氧化物27

2.4.7 石墨烷和氟化石墨烯29

参考文献30

2.5 纳米结构的石墨烯35

2.5.1 引言35

2.5.2 通过刻蚀技术实现石墨烯的图案化36

2.5.3 石墨烯的声化学切割40

2.5.4 通过各向异性选择性刻蚀的对石墨烯进行晶体学结构化41

2.5.5 通过“拉开”碳纳米管来制备石墨烯纳米带44

2.5.6 自下而上地制备石墨烯纳米结构46

参考文献48

第3章 石墨烯的性质52

3.1 电学性质52

3.1.1 引言52

3.1.2 石墨烯的能带结构52

3.1.3 石墨烯输运实验54

参考文献59

3.2 石墨烯的化学性质62

3.2.1 引言62

3.2.2 石墨烯的共价官能化63

3.2.3 石墨烯的非共价官能化68

3.2.4 总结70

参考文献71

3.3 石墨烯的电子自旋性质73

3.3.1 引言73

3.3.2 石墨中的自旋和磁性74

3.3.3 石墨烯中的自旋和磁性75

3.3.4 总结81

参考文献81

3.4 石墨烯的力学性质83

3.4.1 弹性性能和本征强度83

3.4.2 石墨烯的黏附、撕裂和爆裂86

3.4.3 缺陷和结构修饰对力学性质的影响86

3.4.4 石墨烯衍生物87

3.4.5 石墨烯基复合材料92

参考文献93

3.5 石墨烯的热学性质95

3.5.1 热导率96

参考文献104

第4章 石墨烯的制备方法107

4.1 机械剥离107

4.1.1 机械剥离方法简介107

4.1.2 微机械剥离法108

4.1.3 机械剥离石墨110

4.1.4 机械碾磨石墨111

4.1.5 总结111

参考文献112

4.2 化学剥离113

4.2.1 化学剥离法简介113

4.2.2 化学剥离法综述114

4.2.3 不同类型的石墨122

4.2.4 不同类型的溶剂122

4.2.5 不同类型的超声123

4.2.6 如何表征化学剥离的石墨烯124

4.2.7 其他二维晶体126

4.2.8 总结126

参考文献126

4.3 还原石墨烯氧化物128

4.3.1 石墨烯氧化物128

4.3.2 石墨烯氧化物的化学还原130

4.3.3 石墨烯氧化物的热处理131

4.3.4 石墨烯氧化物的电化学还原132

4.3.5 总结133

参考文献134

4.4 由分子前驱体自下而上合成石墨烯135

4.4.1 引言135

4.4.2 溶液法136

4.4.3 溶液化方法136

4.4.4 溶剂热合成法和声波降解法137

4.4.5 化学热方法138

4.4.6 石墨烯氧化物纳米片的自组装141

参考文献141

4.5 使用催化金属的化学气发沉积143

4.5.1 引言143

4.5.2 化学气相沉积（CVD）基础144

4.5.3 基底的选择144

4.5.4 基底的前处理145

4.5.5 在镍和铜上生长石墨烯146

4.5.6 早期生长149

4.5.7 氢气在CVD反应中的作用152

4.5.8 石墨烯-其他金属和合金152

4.5.9 偏析方法153

参考文献154

4.6 在非金属上CVD合成石墨烯157

4.6.1 引言157

4.6.2 非金属作为催化剂时需要考虑的问题158

4.6.3 非金属作为催化剂用于石墨烯的CVD法生长158

4.6.4 金属辅助方法161

4.6.5 非金属催化剂制备碳纳米墙（直立的石墨烯）162

4.6.6 等离子增强CVD的基础163

4.6.7 纳米墙或纳米片的制备163

4.6.8 无基底PECVD制备石墨烯片164

4.6.9 在表面用固体碳源制备石墨烯164

参考文献166

4.7 在SiC上外延生长石墨烯169

4.7.1 引言169

4.7.2 反应方案170

4.7.3 成核和生长171

4.7.4 在SiC（0001）面外延生长石墨烯171

4.7.5 面对面生长172

4.7.6 激光诱导生长外延石墨烯173

4.7.7 在SiC（0001）面外延生长石墨烯174

4.7.8 通过SiC的分子束外延生长石墨烯175

4.7.9 在立方SiC/Si晶片上制备石墨烯176

4.7.10 通过SiOx的碳热还原制备石墨烯176

4.7.11 以SiC／金属混合体系制备石墨烯176

参考文献177

4.8 石墨烯的转移179

4.8.1 引言179

4.8.2 将机械剥离的石墨烯转移至任意基底上179

4.8.3 将金属上以CVD法生长的石墨烯转移至任意基底上181

4.8.4 转移SiC上生长的石墨烯184

4.8.5 任意基底上生长的石墨烯的通用转移法186

4.8.6 总结187

参考文献187

第5章 表征技术189

5.1 光学显微术189

参考文献195

5.2 拉曼光谱学196

参考文献201

5.3 扫描电子显微技术203

参考文献208

5.4 透射电子显微镜209

5.4.1 引言209

5.4.2 原子分辨成像和原子尺度光谱210

5.4.3 表面污染212

5.4.4 通过（S）TEM检测石墨烯层数214

5.4.5 石墨烯缺陷的表征217

5.4.6 石墨烯边缘的表征222

5.4.7 石墨烯的TEM原位操纵225

参考文献226

5.5 电子衍射230

5.5.1 引言230

5.5.2 通过电子衍射确定层数231

5.5.3 观察石墨烯的形貌233

5.5.4 堆垛顺序的判断和旋转堆垛层错的鉴别235

5.5.5 低能电子衍射239

参考文献241

5.6 扫描隧道显微镜243

5.6.1 扫描隧道显微镜简介243

5.6.2 石墨的STM研究244

5.6.3 金属基底上石墨烯的STM研究245

5.6.4 绝缘基底上石墨烯的STM研究250

5.6.5 总结251

参考文献252

5.7 原子力显微镜254

5.7.1 引言254

5.7.2 不同表面上的石墨烯256

5.7.3 石墨烯氧化物的AFM研究258

5.7.4 AFM作为研究和设计物理性质的工具258

参考文献263

5.8 霍尔迁移率和场效应迁移率264

5.8.1 霍尔效应264

5.8.2 石墨烯的霍尔迁移率的测定265

5.8.3 石墨烯场效应迁移率的测定267

5.8.4 迁移率最大化268

5.8.5 总结271

参考文献272

第6章 石墨烯的应用274

6.1 电子器件274

6.1.1 引言274

6.1.2 金属氧化物半导体场效应晶体管274

6.1.3 石墨烯MOSFET276

6.1.4 打开带隙277

6.1.5 应变工程带隙278

6.1.6 电场诱导双层石墨烯产生带隙278

6.1.7 石墨烯纳米带278

6.1.8 其他技术279

6.1.9 迁移率的优化279

6.1.10 沉积高-k栅极绝缘层从而实现低金属接触280

6.1.11 石墨烯用于CMOS中的可行性281

6.1.12 射频电子器件281

6.1.13 新型场效应晶体管的设计282

6.1.14 气体传感器283

6.1.15 计量学与欧姆的定义283

参考文献284

6.2 自旋电子学290

6.2.1 引言290

6.2.2 使用碳纳米管的磁致电阻291

6.2.3 石墨烯制成的磁致电阻294

6.2.4 总结300

参考文献300

6.3 透明导电电极301

参考文献311

6.4 石墨烯在纳机电系统中的应用315

6.4.1 NEMS的驱动、探测和品质因数315

6.4.2 石墨烯机电共振器317

参考文献324

6.5 自支撑石墨烯膜325

6.5.1 自支撑石墨烯作为显微镜载物片326

6.5.2 石墨烯作为电子束无催化剂制备石墨烯的模板330

6.5.3 以自支撑的石墨烯作为亚纳米级的反式电极膜332

6.5.4 自支撑石墨烯的渗透性333

参考文献334

6.6 石墨烯在能源领域的应用336

6.6.1 石墨烯材料在超级电容器中的应用336

6.6.2 石墨烯在电化学双层电容器中的应用337

6.6.3 石墨烯在赝电容器中的应用339

6.6.4 石墨烯材料在锂离子电池中的应用341

6.6.5 石墨烯材料在燃料电池中的应用342

6.6.6 石墨烯材料在太阳能电池中的应用343

参考文献345

6.7 超强石墨烯复合材料349

6.7.1 石墨烯复合材料350

6.7.2 非原位聚合351

6.7.3 原位聚合356

参考文献357

索引360