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第1章 石墨烯的历史 1

第2章 石墨烯的结构及特性 13

2.1 石墨烯的结构 14

2.1.1 碳 14

2.1.2 石墨 15

2.1.3 石墨烯 16

2.1.4 石墨烷 18

2.1.5 石墨酮 19

2.2 石墨烯结构的无序性 20

2.2.1 褶皱结构 20

2.2.2 拓扑缺陷 20

2.2.3 吸附原子 21

2.2.4 裂纹或断裂 21

2.3 石墨烯的特性 22

2.3.1 力学性能 22

2.3.2 热学性能 23

2.3.3 光学特性 23

2.3.4 化学稳定性及反应性 25

2.3.5 广受关注的电学特性 27

2.3.6 半导体特性 28

2.4 小结 28

第3章 纳米石墨烯与碳量子点 31

3.1 纳米石墨烯 32

3.1.1 纳米石墨烯的结构 33

3.1.2 纳米石墨烯的特性 34

3.1.3 纳米石墨烯的制备 35

3.1.4 纳米石墨烯的应用 36

3.2 石墨烯量子点或碳量子点 36

3.2.1 碳量子点的结构 38

3.2.2 碳量子点的特性 38

3.2.3 碳量子点的制备 42

3.2.4 碳量子点的应用 50

3.3 小结 55

第4章 石墨烯的鉴定和表征 57

4.1 导言 58

4.2 显微镜法 59

4.2.1 石墨烯扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和透射电子显微镜表征 59

4.2.2 石墨烯原子力显微镜表征 61

4.3 光谱法 64

4.3.1 石墨烯的拉曼光谱分析 64

4.3.2 石墨烯的红外光谱分析 67

4.3.3 石墨烯的紫外-可见光谱分析 68

4.3.4 石墨烯的X射线衍射分析 69

4.3.5 石墨烯的X射线光电子能谱分析 71

4.3.6 石墨烯的核磁共振分析 72

4.3.7 石墨烯的动态光散射 73

4.3.8 石墨烯的双偏振干涉测量分析 73

4.4 光学特性分析 73

4.4.1 光学吸收及非线性克尔效应 73

4.4.2 光致发光／蓝光-光致发光 75

4.4.3 光学能隙 77

4.5 力学性能的测试 78

4.5.1 杨氏模量 78

4.5.2 泊松比 80

4.5.3 膨胀试验 80

4.5.4 拉力试验／张力试验 81

4.5.5 石墨烯膜的气体泄漏率 81

4.6 热特性及热反应分析 82

4.6.1 热导率 82

4.6.2 热重分析及热稳定性 84

4.7 电学特性的表征 84

4.7.1 电子学 84

4.7.2 电子传递 85

4.7.3 电化学氧化还原 85

4.8 功函数 85

4.9 量子反常霍尔效应 86

4.10 自旋输运 87

4.11 小结 87

第5章 改变石墨烯的特性 89

5.1 导言 90

5.2 改造磁性 90

5.3 提高石墨烯的力学性能 91

5.3.1 聚合物内分散均匀的石墨烯 91

5.3.2 化学交联 92

5.3.3 氢化 93

5.4 设计场发射特性 94

5.5 设计石墨烯的带隙或能隙 95

5.6 设计石墨烯的电学特性 96

5.6.1 设计石墨烯的电学特性使其应用于晶体管 97

5.6.2 设计石墨烯的电学特性使其应用于太阳能电池 99

5.6.3 设计石墨烯的电学特性使其应用于图案化石墨烯 101

5.6.4 设计石墨烯的电化学特性使其应用于超级电容器 101

5.6.5 设计石墨烯的压电特性 102

5.6.6 设计石墨烯的电学特性使其应用于燃料电池 103

5.7 设计石墨烯的结构特性 104

5.7.1 设计石墨烯的复合结构 104

5.7.2 设计石墨烯的超结构 106

5.7.3 设计石墨烯的异质结构 108

5.7.4 石墨烯的缺陷 110

5.8 小结 111

第6章 石墨烯的应用 113

6.1 应用前景 114

6.1.1 高比强度相关领域的应用 114

6.1.2 高比表面积相关领域的应用 114

6.1.3 电能储存 115

6.1.4 热管理 116

6.1.5 高弹性相关领域的应用 116

6.1.6 电子和光电设备 117

6.1.7 轻质电导体 117

6.1.8 透明柔性导电抗氧化膜 117

6.1.9 石墨烯薄膜抗渗透性的相关应用 120

6.1.10 聚合物复合材料的增强 120

6.1.11 传感器 121

6.1.12 电力发电 124

6.1.13 柔性衬底 125

6.1.14 新材料模板 125

6.1.15 基于石墨烯化学特性研发的生物装置 125

6.1.16 医疗领域 126

6.1.17 纺织和织物领域 127

6.2 小结 128

第7章 量产趋势：由实验室走向工业化（扩大规模） 129

7.1 石墨的剥离：自上而下的方式 130

7.1.1 微机械剥离或多次剥离石墨 130

7.1.2 液相化学剥离石墨 131

7.1.3 液相水剥离氧化石墨 131

7.1.4 热液相剥离氧化石墨 132

7.2 纵向解开碳纳米管 132

7.2.1 选择性刻蚀或等离子刻蚀 133

7.2.2 氧化法 134

7.2.3 碱金属原子插入法 135

7.2.4 碳纳米管的催化解开 136

7.2.5 水热法 138

7.2.6 超声化学法打开多层碳纳米管 138

7.3 化学气相沉积法 139

7.4 石墨烯在碳化硅上的外延生长 141

7.5 氧化石墨烯的还原 142

7.5.1 热还原氧化石墨烯 143

7.5.2 水热还原氧化石墨烯 143

7.5.3 溶剂热还原氧化石墨烯 144

7.5.4 化学还原氧化石墨烯 144

7.5.5 电化学还原氧化石墨烯 145

7.5.6 氢等离子体还原氧化石墨烯 146

7.5.7 氙闪光管还原氧化石墨烯 147

7.5.8 膨胀还原剂还原氧化石墨烯 148

7.5.9 光催化还原氧化石墨烯 148

7.5.10 多步还原 149

7.6 弧放电法 149

7.7 溶剂热法 150

7.8 石墨烯的无基底气相合成 150

7.9 其他生长法 151

7.10 小结 151

第8章 石墨烯片直接转移或卷对卷式转移至理想的基底 153

8.1 导言 154

8.2 使用刻蚀法和挖取法直接转移石墨烯 155

8.3 在刻蚀和挖取过程中使用石墨烯保护介质直接转移石墨烯 155

8.3.1 聚甲基丙烯酸甲酯 156

8.3.2 聚碳酸酯 157

8.3.3 聚二甲基硅氧烷 157

8.3.4 直接转移至柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯 158

8.4 卷对卷合成及转移石墨烯 159

8.4.1 使用导热胶带进行卷对卷连续转移 160

8.4.2 通过热压法，卷对卷式转移至覆盖有透明聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物 161

8.4.3 使用光固化环氧树脂卷对卷转移至聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜 161

8.5 卷对卷转移石墨烯片的装置 162

8.5.1 成均馆大学研究与商业基金会研发的卷对卷石墨烯合成及转移的专利装置 162

8.5.2 四辊式卷对卷系统 163

8.5.3 山田法 165

8.6 转移过程中最大限度减少缺陷或裂纹 165

8.6.1 选择合适的目标基底 166

8.6.2 避免使用刻蚀剂 166

8.7 小结 167

9 石墨烯在工业和商业用途中面临的挑战及其经济效益 169

9.1 导言 170

9.2 石墨烯工业 171

9.2.1 生产及应用石墨烯的公司 174

9.2.2 支持石墨烯相关活动的公司 179

9.2.3 终端用户市场及目标客户 183

9.3 石墨烯的商业化 189

9.3.1 制造理想的带隙 189

9.3.2 高生产成本 190

9.4 石墨烯及其相关产业经济 190

9.5 石墨烯及其前景 192

9.5.1 柔性电子屏幕 193

9.5.2 具备超高机械强度的石墨烯复合材料 193

9.5.3 石墨烯替代SD闪存卡 193

9.5.4 新一代扬声器 193

9.5.5 更快的计算机芯片和宽带 194

9.5.6 超强防弹衣 194

9.5.7 石墨烯无人机 195

9.6 石墨烯的未来设想 195

9.7 小结 196

参考文献 197