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出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030420343

商品编码：27189885566

包装：平装

出版时间：2018-03-01

图书基本信息
图书名称	石墨烯：基础及新兴应用
作者	(美)杰米 H. 沃纳等著;付磊
定价	150.00元
出版社	科学出版社有限责任公司
ISBN	9787030420343
出版日期	2018-03-01
字数
页码
版次	32
装帧	平装
开本	32开
商品重量	0.4Kg

内容简介

石墨烯是由单层碳原子构成的理想二维原子晶体，在未来的纳电子器件与集成电路、柔性电子器件、超灵敏传感器等新型电子器件的构建中有广阔的应用前景。本书就石墨烯的研究现状和未来发展趋势进行了全面而深入的介绍，内容涉及石墨烯的结构和基本物理化学性质、制备技术、表征方法以及潜在应用。

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文摘

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序言

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石墨烯：无尽潜力的材料科学新纪元 在材料科学的浩瀚星空中，石墨烯以其独一无二的二维结构和令人惊叹的性能，正以前所未有的速度改变着我们对物质世界的认知，并引领着一场深刻的技术革新。它并非虚无缥缈的科幻概念，而是真实存在、触手可及的革命性材料，其基础性质和新兴应用的研究，已成为当今科学界最激动人心的前沿领域之一。 一、 石墨烯的诞生：从理论猜想到现实奇迹 石墨烯，顾名思义，是构成石墨的基本单元。它是一种由单层碳原子组成的二维晶体，这些碳原子以sp²杂化轨道连接，形成六边形蜂窝状点阵结构。这种看似简单的结构，却蕴含着令人难以置信的物理和化学特性。 其发现的故事充满传奇色彩。早在20世纪30年代，科学家们就已推测出石墨烯的存在，但由于分离它的巨大困难，其物理性质长期未被充分研究。直到2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）两位教授，利用普普通通的胶带，巧妙地从石墨块中剥离出了单层石墨烯，从而揭开了这一神奇材料的面纱。他们的开创性工作不仅为科学界打开了新视野，更荣获了2010年的诺贝尔物理学奖，充分肯定了石墨烯研究的重大意义。 二、 石墨烯的非凡特质：性能的极致演绎 石墨烯的魅力，源于其集多种优异性能于一身的特质，这些特质在宏观世界中几乎是闻所未闻的： 极致的强度与刚度： 石墨烯是已知最强的材料之一，其杨氏模量高达1.0 TPa，比钢材强200倍。这意味着极薄的石墨烯薄膜能够承受巨大的压力而不会断裂，其强度之高，足以承受一头大象在上面行走而不会被压垮。这种卓越的机械性能，为制造超轻、超坚固的复合材料提供了无限可能。 卓越的导电性： 石墨烯的电导率极高，其载流子迁移率远超硅，甚至可以与金属媲美。在室温下，电子在石墨烯中的运动速度接近光速，表现出“狄拉克费米子”的独特行为。这种优异的导电性，使其成为下一代电子器件、高效率传感器和能源存储设备的理想材料。 非凡的导热性： 石墨烯的导热系数也达到了惊人的水平，是已知导热性最好的材料之一，远高于金刚石。这意味着石墨烯能够极其高效地传递热量，这在散热需求日益增长的电子产品、高性能发动机等领域具有巨大的应用潜力。 极高的比表面积： 理论上，单层石墨烯的理论比表面积高达2630平方米/克。巨大的表面积赋予了石墨烯优异的吸附和催化性能，使其在化学传感器、催化剂、分离膜等领域大放异彩。 独特的电子结构： 石墨烯的电子结构使其具有零带隙的半金属特性，表现出半导体的某些性质，但又远超传统半导体。这种独特的电子学特性，为开发全新的电子元器件和量子计算技术提供了基础。 极高的透光性： 令人难以置信的是，即使只有一层原子厚度，石墨烯也能实现高达97.7%的透光率，几乎对可见光完全透明。这一特性使其非常适合应用于透明导电薄膜、显示屏、太阳能电池等领域。 良好的化学稳定性： 石墨烯在大多数化学环境中都表现出良好的稳定性，不易被氧化或腐蚀，这保证了其在各种严苛应用环境下的可靠性。 三、 石墨烯的制备：从实验室走向产业化 虽然胶带法发现了石墨烯，但其产量极低，不适合大规模生产。为了满足日益增长的应用需求，科学家们开发了多种石墨烯制备方法，主要可以分为两大类： 自上而下法（Top-down method）： 机械剥离法： 即海姆和诺沃肖洛夫教授使用的经典方法，虽然产量低，但可以获得高质量的单层或少层石墨烯，适用于基础研究。 化学氧化还原法（Hummer's method）： 这是目前最主流、成本最低的制备方法。通过强氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，然后通过超声剥离得到氧化石墨烯，再通过还原剂或加热还原得到石墨烯。该方法产量大，成本低，但所得石墨烯可能存在缺陷，影响性能。 液相剥离法： 利用超声波或高剪切力，在合适的溶剂中将石墨剥离成石墨烯。这种方法操作简便，易于实现连续化生产。 气相沉积法（CVD）： 在高温下，利用金属催化剂（如铜、镍）在气相中分解碳源（如甲烷），在催化剂表面生长出高质量的石墨烯薄膜。CVD法是制备大面积、高质量石墨烯薄膜的主要手段，是实现石墨烯产业化的关键技术之一。 自下而上法（Bottom-up method）： 化学气相沉积（CVD） 也属于自下而上法。 原子层沉积（ALD）： 通过化学反应逐层沉积碳原子，生长出高度可控的石墨烯薄膜。 有机合成法： 利用特定的有机分子前驱体，通过化学反应构建石墨烯结构。 每种制备方法都有其优缺点，选择哪种方法取决于目标应用的具体需求，例如对石墨烯的层数、尺寸、质量、成本等方面的要求。 四、 石墨烯的广阔图景：新兴应用领域的深度探索 石墨烯的非凡性能，使其在几乎所有领域都展现出巨大的应用潜力，正在深刻地改变着我们的生活和科技发展： 电子与信息技术： 下一代半导体器件： 石墨烯的高电子迁移率使其有望取代硅，制造更快速、更节能的晶体管，推动电子器件的小型化和高性能化。 柔性电子产品： 石墨烯的柔韧性和高导电性，使其成为制造可折叠、可穿戴的电子产品（如柔性显示屏、电子纸、传感器）的理想材料。 透明导电薄膜： 石墨烯优异的导电性和透光性，使其成为替代ITO（氧化铟锡）的理想材料，用于触摸屏、LED显示器、太阳能电池等。 传感器： 石墨烯对周围环境的变化极其敏感，可以用于制造高灵敏度的气体传感器、生物传感器，有望应用于环境监测、医疗诊断等领域。 能源领域： 超级电容器与电池： 石墨烯巨大的比表面积和优异的导电性，能够显著提高超级电容器的能量密度和功率密度，并作为电极材料提升锂离子电池的充放电速率和循环寿命。 太阳能电池： 石墨烯可以作为高效的电子传输层，提高太阳能电池的光电转换效率，并用于制造柔性、透明的太阳能电池。 燃料电池： 石墨烯作为催化剂载体，可以提高燃料电池的催化活性和稳定性。 复合材料与结构工程： 高性能复合材料： 将石墨烯添加到聚合物、金属、陶瓷等基材中，可以显著提高材料的力学强度、导电性、导热性和阻燃性，用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。 防腐涂层： 石墨烯的致密结构和优异的化学稳定性，使其成为一种高效的防腐蚀屏障，可用于船舶、桥梁等基础设施的保护。 轻质高强结构： 利用石墨烯的强度和轻质特性，可以制造更轻、更坚固的结构件，降低能耗，提高效率。 生物医药领域： 药物递送系统： 石墨烯的表面易于功能化，可以承载药物分子，精确靶向病灶，实现高效的药物递送。 生物传感器与诊断： 石墨烯的灵敏度和可生物相容性，使其成为开发新型生物传感器和诊断工具的理想平台。 组织工程： 石墨烯材料可以作为细胞生长的支架，促进细胞的附着、增殖和分化，为组织再生和修复提供新的可能。 抗菌材料： 研究表明，石墨烯具有一定的抗菌活性，可用于开发抗菌涂层和医疗器械。 环境治理： 水处理与净化： 石墨烯膜具有高孔隙率和优异的截留能力，可用于海水淡化、污染物去除等水净化过程。 吸附材料： 石墨烯的高比表面积使其成为优良的吸附剂，可用于去除水体和空气中的污染物。 催化剂： 石墨烯可以作为催化剂载体，用于催化各种化学反应，例如环境污染物的分解。 五、 面临的挑战与未来展望 尽管石墨烯的研究和应用取得了令人瞩目的成就，但其产业化和广泛应用仍面临一些挑战。例如，如何实现低成本、大规模、高质量的石墨烯制备；如何解决石墨烯在基材中的均匀分散问题；如何开发标准化、规模化的石墨烯生产和应用技术；以及如何充分理解和控制石墨烯的长期环境和健康影响。 然而，随着科学技术的不断进步，这些挑战正逐步被克服。全球科研机构和企业正投入巨资进行石墨烯的研发和产业化。我们有理由相信，石墨烯将不再仅仅是一种令人惊叹的材料，而是将深刻地改变人类社会的面貌，引领我们走向一个更智能、更高效、更可持续的未来。从基础科学的探索到新兴应用的落地，石墨烯的旅程才刚刚开始，其无尽的潜力和可能性，正等待着我们去不断发掘和实现。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名“石墨烯：基础及新兴应用”给我一种全面且深入的印象。我希望在“基础”部分，作者能够深入剖析石墨烯的电子结构。我想了解，为什么石墨烯的电子行为如此奇特，能够展现出接近光速的载流子速度，以及其在狄拉克锥附近的零带隙特性意味着什么。书中是否会提供详细的量子力学解释，或者至少是用清晰的物理模型来阐述这些现象？例如，关于其超导性、霍尔效应等奇异物理现象，是否会有相关的理论介绍？我希望书中能够引经据典，引用一些重要的理论模型和实验发现，让我能够对其基础理论有更扎实的理解。另外，对于石墨烯的制备方法，我希望书中能够介绍多种主流的技术，例如化学气相沉积（CVD）、机械剥离法（scotch tape method）以及氧化还原法，并比较它们的优缺点，以及各自在不同应用场景下的适用性。

评分☆☆☆☆☆

我对书中“新兴应用”部分的描述非常感兴趣。我希望它能够详细阐述石墨烯在过滤和分离技术中的潜力。想象一下，利用石墨烯制成的超薄膜，能否实现高效、节能的水净化和气体分离？我希望书中能够解释，石墨烯的孔隙结构和表面化学性质如何能够实现对特定分子的高选择性吸附或渗透。例如，在海水淡化领域，石墨烯膜能否提供比现有反渗透膜更低的能耗和更高的产水量？在气体分离方面，例如二氧化碳捕获，石墨烯是否能成为一种高效的吸附材料？书中是否会介绍相关的实验数据和技术进展，以及在实际应用中可能遇到的挑战，例如膜的稳定性和寿命问题？我希望书中能够提供一些前瞻性的分析，让我能够看到石墨烯在解决环境问题和资源利用方面带来的希望。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书，我最看重的是它能否提供一个清晰、系统的框架，让我能够全面地理解石墨烯。我希望书中不仅能够介绍石墨烯本身的性质，更能将其置于整个材料科学发展的宏观背景下进行审视。例如，在介绍石墨烯的“基础”部分时，我希望它能够与其他具有代表性的碳材料，如碳纳米管、富勒烯等进行比较，指出石墨烯的独特性和优势所在。这有助于我更深刻地理解，为什么石墨烯会成为材料科学研究的热点。同时，在讲解其电子学特性时，我希望能够看到它与传统半导体材料（如硅）的对比，这能让我更好地理解石墨烯在电子领域的颠覆性潜力。书中是否会提及二维材料家族的其他成员，并与石墨烯进行类比分析？例如，它们的制备方法、结构特点以及在不同领域的应用差异。我希望这本书能够像一座桥梁，连接起基础理论和前沿应用，让我能够从宏观到微观，从原理到实践，都获得清晰的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就带着一股科技感，深邃的黑色背景上，仿佛有微光流转，勾勒出石墨烯那独特的蜂窝状结构。我一直对新材料充满好奇，尤其是像石墨烯这样被誉为“新材料之王”的物质，总觉得它蕴藏着无限可能。拿到这本书，我最期待的就是它能否深入浅出地讲解石墨烯的“基础”部分。毕竟，任何一项革命性的技术，都离不开扎实的基础理论支撑。我希望书中能够详尽地介绍石墨烯的发现历程，那些科学家们是如何一步步揭开它神秘面纱的。还有它的原子结构，单层碳原子构成的二维晶体，这种极致的薄度以及由此带来的超乎寻常的性质，是怎样被科学解释的？比如它的强度、导电性、导热性，这些“为什么”是吸引我的核心。我希望书中能够用清晰的图示和易于理解的语言来解释这些物理化学原理，避免过于晦涩的专业术语，让我这个非专业人士也能有所领悟。如果书中能结合一些历史性的实验数据或者重要的里程碑式发现，那就更棒了。例如，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖，他们的研究方法和思路，是否也会在书中有所体现？了解这些，不仅能加深对石墨烯的理解，更能激发对科学探索精神的敬意。我迫切地想知道，这些基础知识究竟能引导我们走向何方。

评分☆☆☆☆☆

我选择这本书，很大程度上是出于对“新兴应用”部分的浓厚兴趣。石墨烯听起来就像是科幻小说里的产物，但这本书承诺将其带入现实。我特别想知道，那些听起来“高大上”的应用，例如在电子设备中的颠覆性革新，到底是怎么实现的？想象一下，如果手机、电脑的性能能够因为石墨烯而得到飞跃，充电速度更快，发热更少，甚至尺寸可以做得更小更轻薄，这对于我们每天都要依赖的电子产品来说，将是多么激动人心的变化。书中是否会详细阐述石墨烯作为电极材料在电池领域的前景？比如，超级电容器和锂离子电池的能量密度、功率密度和循环寿命，能否借由石墨烯得到显著提升？我希望书中不仅仅是简单罗列应用，而是能够深入探讨其背后的技术细节和面临的挑战。例如，大规模、低成本地制备高质量的石墨烯，以及如何将其有效地集成到现有产品中，这些都是实际应用中绕不开的问题。此外，书中提到的其他新兴应用，如在复合材料、传感器、医疗健康、甚至能源领域，我都很想一探究竟。我希望书中能够提供一些具体的研究案例或者正在进行的试验项目，让我能更直观地感受到石墨烯的潜力，以及它正在如何悄然改变我们的生活。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的“新兴应用”部分抱有极高的期望，特别是它可能对我们日常生活带来的实际影响。我希望书中能够详细介绍石墨烯在可穿戴设备和柔性电子领域的潜在突破。想象一下，未来我们能够拥有比现在更轻薄、更舒适、甚至可以随意弯曲的电子产品，比如可以卷起来的屏幕，或者集成在衣物中的传感器，这都可能与石墨烯的技术进步息息相关。书中是否会探讨石墨烯的导电性和柔韧性是如何完美契合这一领域需求的？例如，它在柔性显示器、可穿戴传感器、甚至可植入式医疗设备中的具体应用前景？我特别关心的是，这些应用在技术上是如何实现的，以及目前遇到了哪些瓶颈？是材料本身的性能限制，还是制造工艺的复杂性？此外，书中是否还会涉及石墨烯在能源储存领域的革新？例如，在超级电容器和电池中，石墨烯作为电极材料，能否显著提高能量密度和充电速度？我对能够快速充电的电动汽车和续航能力更强的电子设备充满期待。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的“基础”部分期望非常高，希望它能深入解析石墨烯的层状结构以及其独特的光学性质。我希望书中能够详细介绍石墨烯如何吸收可见光，以及其在透明导电薄膜领域的应用前景。例如，它如何在触摸屏、OLED显示器和太阳能电池中取代传统的氧化铟锡（ITO）材料？书中是否会讨论石墨烯的光学特性与厚度、掺杂状态等因素的关系？我希望能够看到一些关于石墨烯与其他二维材料在光学特性上的对比，例如二硒化钼（MoSe2）的带隙特性。此外，对于石墨烯的表面增强拉曼散射（SERS）效应，我希望书中能有详细的介绍。这对于超灵敏的化学和生物传感非常重要。我希望作者能够用清晰的语言和图示，解释石墨烯的表面形貌和电子结构如何增强拉曼信号，以及它在痕量物质检测方面的应用潜力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的“新兴应用”部分，让我对未来科技发展充满了遐想。我特别关注石墨烯在生物医学领域的突破。想象一下，如果石墨烯能够被用于靶向药物递送，精确地将药物输送到病变部位，从而减少副作用，提高治疗效果，这将是医学的一大进步。书中是否会详细介绍石墨烯的生物相容性、表面修饰技术以及在药物载体设计方面的可能性？我希望能够看到一些具体的案例，比如石墨烯在癌症治疗、基因传递、甚至生物成像方面的应用前景。此外，书中是否还会探讨石墨烯在生物传感器方面的潜力？例如，能够实时、高灵敏度地检测体内生物分子，从而实现早期疾病诊断。我对能够为人类健康带来福祉的新材料应用充满期待，也希望书中能够提供一些关于安全性评估和伦理考量的讨论。

评分☆☆☆☆☆

这本书的“新兴应用”部分，让我对石墨烯在智能交通领域的贡献充满期待。我希望书中能够探讨石墨烯在提高电动汽车性能方面的潜力。例如，通过将石墨烯应用于电池电极，能否显著提升电池的能量密度和充电速度，从而缓解电动汽车的续航里程焦虑？书中是否会介绍石墨烯如何改善电池的循环寿命和安全性？此外，我非常关注石墨烯在轻量化复合材料方面的应用。如果汽车零部件能够使用石墨烯增强的复合材料，是否能够大幅减轻车身重量，从而提高燃油效率或电动汽车的续航能力？我希望书中能够提供一些具体的案例，比如石墨烯在汽车轮胎、刹车片、甚至车身结构中的应用研究，以及它们在性能上的提升。我还希望看到书中对石墨烯在智能交通基础设施方面的展望，比如作为高效的传感器用于交通流量监测，或者在道路材料中提升耐磨性和耐久性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名本身就给我一种严谨、权威的感觉。“正版书籍”的标识，让我对内容的真实性和可靠性有了初步的信心。我希望这本书在介绍石墨烯的“基础”知识时，能够提供充足的理论依据和实验证据。例如，在讲解石墨烯的电子结构时，书中是否会涉及能带理论、狄拉克点等概念？这些概念对于理解石墨烯为何具有如此独特的电学特性至关重要。我期待书中能够用图解的方式，生动地展示电子在石墨烯中的运动方式，以及它与传统半导体材料的根本区别。同时，对于石墨烯的力学性能，如其极高的杨氏模量和抗拉强度，书中是否会从微观层面进行解释？是否会提及范德华力在层与层之间的作用，以及单层石墨烯为何能够如此坚韧？我希望作者能够引用一些经典实验，比如拉曼光谱、扫描隧道显微镜等，来佐证这些基础性质的发现。而且，如果书中能稍微提及一些与石墨烯相关的其他二维材料，比如氮化硼、二硫化钼等，并与石墨烯进行对比，那将有助于更全面地理解二维材料家族的特点和优势。