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摘 要

即使对于测量常规的材料的热输运技术发展得己经非常的成熟了，但是对于独特的二维结构的石墨烯的热输运测量却是非常的困难，同时因为石墨烯的独特的结构使得石墨烯的应用前景十分广泛。本文首先对石墨烯的发现历史及物理化学性进行简单的概括，然后在第二部分分别介绍了二维石墨烯的本征热导率和多层石墨烯的热导率与层数的关系，衬底对石墨烯的热导率的影响作用以及一维石墨烯纳米带的热导率。对石墨烯热输运性质的研究进展做个简单的综述。

关键词：石墨烯，热导率，热输运

Abstract：Since the first exfoliation of graphene from graphite in 2004, it has attracted extensive research interest from experimental and theoretical researchers, mainly because of its excellent physical and chemical properties, especially the high thermal transport properties of graphene.

It is very difficult to measure the thermal transport of the unique two-dimensional structure of graphene, even as the thermal transport technology for the conventional materials has developed very well. At the same time, the unique structure of graphene makes the application of graphene widely used. In this paper, the history and physicochemical properties of graphene are briefly summarized. In the second part, the intrinsic thermal conductivity of the two-dimensional graphene, the relationship between the thermal conductivity of graphene and the number of layers, the effect of the substrate on the thermal conductivity of graphene and the thermal conductivity of the one dimensional graphene nanometers are introduced. The research progress of graphene thermal transport properties is briefly reviewed.

Keywords: Graphene, thermal conductivity, heat transport

目 录

1 前言 3

1.1 石墨烯的发现历史 3

1.2石墨烯的结构 3

1.3石墨烯的物理化学性质 4

2 石墨烯的热导率 4

2.1 二维石墨烯的本征热导率 4

2.2 多层石墨烯的热导率 6

2.3衬底对石墨烯热导率的影响 10

2.4 一维石墨烯纳米带的热导率 11

3 总结 14

参考文献 16

致 谢 18

1 前言

1.1 石墨烯的发现历史

目前石墨烯已成为明星材料，引起了实验和理论研究者的广泛关注。事实上，早在很久以前理论研究就探讨了石墨烯存在的可能性。关于石墨烯的发现过程，最初的时候科学家主要尝试化学方法，比如利用化学剥离法来制造石墨烯，在石墨层中插入分子和大的原子，这样就可以得到一个夹在石墨层中的化合物，这样就可以看作是石墨烯的三维结构，同样可以看作是单层石墨烯叠加在一起。通过这个方法对石墨烯的层间化合物进行处理却只能够得到石墨烯的烂泥块，对这样的石墨烯泥浆的性质的研究却遇到了瓶颈，于是科学家就停止了这方面的研究。因此石墨烯虽然可以作为研究的理论模型，但是并未受到科学界的广泛关注。一直重复着失败，但是科学家们从未放弃。一直到了2004年石墨烯再次出现在实验室中，安德·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验室采用了机械剥离的方法对石墨烯进行分离，并取得了成功。他们的方法非常简单，先将石墨片从石墨中剥离，再用胶带粘住石墨片，其次撕开胶带，石墨片有一分为二，循环往复，直到只剩下单层的石墨薄片，即石墨烯，他们通过这个实验成果获得了2010年诺贝尔物理学奖。从此，石墨烯在科学界的地位得到了大幅度的提升，科学界开始广泛关注石墨烯，石墨烯的各个方面相继走入实验室。

1.2 石墨烯的结构

石墨烯是石墨材料，但是它的结构上是单层的原子结构，且是平面结构，如图1.1和1.2所示。每一个碳原子均为sp2杂化这样就可以形成一个大π键，因为大π键的存在，因为π电子自由的移动，使得石墨烯的物理性质和化学性质均是很优良。石墨烯在理论上的完美应用，可以使得军事工业等得到飞速的发展。

图1.1 三维石墨烯和二维单层石墨烯的结构

图1.2：石墨烯中电子轨道sp2杂化示意图

1.3石墨烯的物理化学性质

石墨烯的结构使得石墨烯在各个方面都具有优异的性能，例如在光学，电学，热学，力学等方面：首先在光学方面石墨烯只能吸收2.3％的入射光，相比于其他的材料几乎算得上是全透明的了；其次在电学方面，石墨烯是目前为止导电性最好的材料，石墨烯内部的电子运动的速度能够达到光速的三百分之一；在热学方面，石墨烯的导热系数能够达到5300 W/m-K，这样的热导率大约是铜的十倍；在力学方面，石墨烯的厚度在只有0.35nm左右的情况下，他的载物强度却是世界上最大的，能够同时承受大约两万多吨物体而不至于断裂。与此同时,在其他方面还具有极高的理论比表面积，比表面积是指单位质量物体的总面积。

2 石墨烯的热导率

2.1 二维石墨烯本征电导率

石墨烯的有超高的热导率，因此对于石墨烯的热输运性质的研究从未停止过^[1,2]。如图1所示，不同的¹³C同位素浓度下的石墨烯热导率^[2]，Balandin等对石墨烯的本征热导率的实验采用石墨烯悬空的方法，实验研究结果显示^[2-4]，在悬空的情况下石墨烯的本征热导率约为2500 – 5000 W/m-K，最高情况下达到5000 W/m-K，这样高的热导率约是体相石墨烯的热导率的三倍左右。当然这只是其中的一个实验结果，由于实验条件的不同，所测得的热导率也会有所差异^[2-4]。但对于总的实验结果表明，石墨烯的热导率是远远高于目前其他现有材料的热导率，并且能高出好几个数量级，因此在理论上石墨烯是一种良好的热耗散的二维材料。

图2.1 不同¹³C同位素浓度下的二维石墨烯热导率^[2]

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