本书依据作者研究团队以及靠前外石墨烯材料的近期新研究进展，从基础到应用较全面地概述了石墨烯的基本概念、基本理论和原理，详细叙述了石墨烯的制备方法、生长机理、凝聚态结构和石墨烯化学，重点阐述了石墨烯的电学性质、光学性质和磁学性质，很后较为系统地介绍了石墨烯在复合材料、能源材料和工业应用等方面的前景和存在的挑战。

本书可供高等院校化学、材料、物理和信息等专业高年级本科生、研究生以及研究院所科研人员参考和阅读。

作者简介

本书主编刘云圻，中国科学院院士，中科院化学所有机固体实验室研究员、博士生导师，科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，并担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等7种期刊的编委/顾问委员会成员。主要从事分子材料的设计、合成，包括 -共轭小分子、高分子和石墨烯；以及这些材料在光电子器件中的应用，包括场效应晶体管和分子器件。发表SCI论文500余篇，他人引用1万8千余次，H因子大于70，获授权中国发明专利65项。获国家自然科学二等奖1项。2014年入选汤森路透优选“高被引科学家”目录，以及爱思唯尔中国高被引学者榜单。

第1章石墨烯的基础知识001

耿德超（中国科学院化学研究所）

1．1 石墨烯的发现历史 002

1．2 石墨烯的基本结构与性能 006

1．2．1 石墨烯的基本结构 006

1．2．2 石墨烯的基本性能 006

1．3 石墨烯的基本表征手段 015

1．3．1 光学显微分析 015

1．3．2 电子显微分析 018

1．3．3 扫描探针显微分析 022

1．3．4 拉曼光谱分析 026

参考文献 027

第2章石墨烯的制备033

张涛，卢文静，韩江丽，刘津欣，付磊（武汉大学化学与分子科学学院）

2．1 剥离法 034

2．1．1 机械剥离法 034

2．1．2 化学剥离法 037

2．2 SiC表面外延生长法 041

2．2．1 在SiC的Si终止面外延生长石墨烯 042

2．2．2 在SiC的C终止面外延生长石墨烯 043

2．3 电弧放电法 044

2．4 氧化还原法 045

2．4．1 石墨氧化物的制备 045

2．4．2 石墨氧化物的还原 049

2．5 化学气相沉积法 056

2．5．1 金属表面化学气相沉积 056

2．5．2 绝缘基底表面化学气相沉积 073

2．6 其他方法 076

2．6．1 偏析生长石墨烯 077

2．6．2 自下而上合成石墨烯 079

2．6．3 切开碳纳米管制备石墨烯 080

2．6．4 TEM电子束石墨化 081

2．7 石墨烯的转移 082

2．7．1 将机械剥离的石墨烯转移至任意基底上 083

2．7．2 剥离SiC表面外延生长的石墨烯 085

2．7．3 将金属上以CVD法生长的石墨烯转移至任意基底上 087

2．7．4 任意基底上生长的石墨烯的通用转移法 095

2．7．5 小结 096

参考文献 097

第3章石墨烯化学105

王西鸾，石高全（北京林业大学材料科学与技术学院，清华大学化学系）

3．1 引言 106

3．2 石墨烯功能化 107

3．2．1 石墨烯平面的共价功能化 108

3．2．2 石墨烯边缘的共价功能化 117

3．2．3 非共价功能化石墨烯 120

3．3 石墨烯掺杂 122

3．3．1 表面转移掺杂 123

3．3．2 取代掺杂 124

3．4 石墨烯光化学 129

3．4．1 基于自由基的光化学反应 130

3．4．2 光还原反应 132

3．5 石墨烯催化化学 134

3．5．1 氧化石墨烯催化 134

3．5．2 还原氧化石墨烯催化 136

3．5．3 杂化石墨烯催化 137

3．5．4 功能化石墨烯催化 138

3．6 石墨烯超分子化学 139

3．6．1 液晶行为 139

3．6．2 自组装 142

3．6．3 三维自组装 144

3．7 总结与展望 152

参考文献 153

第4章石墨烯的电学性质167

魏大程，蔡智（复旦大学高分子科学系）

4．1 石墨烯的基本电学性质 168

4．2 对石墨烯电学性能的调控 170

4．2．1 通过物理的方法 170

4．2．2 通过化学的方法 173

4．2．3 通过构建异质结的方法 183

4．3 石墨烯在电学方面的应用 185

4．3．1 石墨烯场效应晶体管 185

4．3．2 石墨烯高频器件 189

4．3．3 石墨烯逻辑电路 192

4．3．4 石墨烯传感器 195

4．3．5 石墨烯存储器件 198

4．3．6 石墨烯电极 202

4．3．7 光电探测器 204

4．3．8 石墨烯量子点器件 205

参考文献 206

第5章石墨烯的光学性质及光电子应用211

李绍娟，沐浩然，王玉生，飞，薛运周，鲍桥梁（苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心）

5．1 石墨烯的光学性质 212

5．1．1 石墨烯的线性光学性质 212

5．1．2 石墨烯的非线性光学性质 213

5．2 石墨烯在激光器中的应用 215

5．2．1 基于石墨烯的锁模光纤激光器应用 217

5．2．2 基于石墨烯的调Q光纤激光器应用 220

5．2．3 石墨烯在固体激光器上的应用 221

5．3 基于石墨烯的光调制器 223

5．3．1 基于直波导结构的石墨烯电光调制器 223

5．3．2 基于微环及马赫-曾德尔结构的石墨烯电光调制器 226

5．3．3 基于平面结构的石墨烯电光调制器 229

5．4 基于石墨烯的光偏振器 232

5．5 基于石墨烯的光探测器 234

5．5．1 基于石墨烯的超快、宽波段光探测器 234

5．5．2 等离子体增强的石墨烯光探测器 235

5．5．3 共振腔增强的石墨烯光探测器 238

5．5．4 波导型石墨烯光探测器 239

5．5．5 叠层范德华异质结型光探测器 241

5．6 石墨烯的表面等离子体 242

5．6．1 石墨烯表面等离子体的激发机制 243

5．6．2 石墨烯表面等离子体的观测方法 245

5．6．3 石墨烯表面等离子体的应用 250

5．7 总结与展望 254

参考文献 255

第6章石墨烯的磁学性质263

夏庆林（中南大学物理与电子学院）

6．1 引言 264

6．2 磁性基本知识 266

6．2．1 微观物质（原子）的磁性 266

6．2．2 宏观物质的磁性 266

6．3 缺陷对石墨烯磁性的影响 268

6．3．1 点缺陷 268

6．3．2 晶界和边界（线缺陷） 273

6．3．3 石墨烯纳米带的磁性 277

6．4 掺杂对石墨烯磁性的影响 277

6．4．1 非磁性元素掺杂 277

6．4．2 磁性元素掺杂 280

6．5 原子和分子/团簇吸附对石墨烯磁性的影响 280

6．5．1 原子吸附 280

6．5．2 分子吸附 282

6．6 石墨烯的超导电性 284

6．7 总结与展望 287

参考文献 287

第7章石墨烯基复合材料299

苗力孝，孔德斌，智林杰（国家纳米科学中心）

7．1 引言 300

7．2 石墨烯基电学复合材料 302

7．2．1 石墨烯基储能复合材料 302

7．2．2 石墨烯基电催化复合材料 306

7．3 石墨烯基光学复合材料 309

7．3．1 石墨烯量子点复合材料在光学领域中的应用 309

7．3．2 石墨烯基光催化复合材料 313

7．3．3 石墨烯基透明导电薄膜复合材料 316

7．4 石墨烯基生物复合材料 319

7．4．1 石墨烯基生物复合支撑材料 319

7．4．2 石墨烯基生物功能材料 321

7．4．3 石墨烯基生物传感材料 322

7．5 石墨烯基力学与热学复合材料 324

7．6 石墨烯基复合材料在其他领域中的应用 327

7．7 总结与展望 329

参考文献 329

第8章石墨烯能源材料与器件339

张哲野，肖菲，王帅（华中科技大学化学与化工学院）

8．1 引言 340

8．2 超级电容器 341

8．2．1 超级电容器储能机理 342

8．2．2 石墨烯材料在超级电容器中的应用 344

8．3 二次电池 349

8．3．1 锂离子电池 350

8．3．2 石墨烯材料在锂离子电池中的应用 351

8．3．3 石墨烯材料在锂硫电池中的应用 353

8．3．4 石墨烯材料在钠离子电池中的应用 354

8．3．5 石墨烯材料在金属-空气电池中的应用 355

8．4 燃料电池 356

8．5 太阳能电池 358

8．5．1 石墨烯材料在染料敏化太阳能电池中的应用 358

8．5．2 石墨烯材料在量子点太阳能电池中的应用 360

8．5．3 石墨烯在有机光伏电池中的应用 360

8．6 储氢 362

8．7 总结与展望 366

参考文献 367

第9章石墨烯的工业应用前景与展望375

赵增华，王钰（中国科学院过程工程研究所）

9．1 引言 376

9．2 功能材料 381

9．2．1 结构增强复合材料 381

9．2．2 防腐涂层材料 385

9．2．3 新型导热材料 387

9．2．4 电磁防护材料 391

9．2．5 储氢材料 393

9．3 能源存储与转换 395

9．3．1 超级电容器 396

9．3．2 锂电池 398

9．3．3 太阳能电池 400

9．3．4 燃料电池 403

9．4 环境监测与治理 405

9．4．1 气体检测 405

9．4．2 污水处理 409

9．4．3 海水淡化 411

9．4．4 土壤治理 413

9．5 总结与展望 414

参考文献 414

索引 426
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