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1.《纳米材料前沿》是国内近10位院士和20余位长江学者、杰青共同完成的大型出版项目，本书为其中一个分册。
2.本书为综述性专著，从基础到应用，系统介绍了石墨烯近年来的研究进展。
3.全书采用铜版纸，彩色印刷，清晰直观地展现了石墨烯的结构、模拟及表征结果。
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| 內容簡介： |
本书依据作者研究团队以及国内外石墨烯材料的*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，*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。
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| 關於作者： |
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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年入选汤森路透全球“高被引科学家”目录，以及爱思唯尔中国高被引学者榜单。
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| 目錄：
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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，李鹏飞，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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| 內容試閱：
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2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带剥离法成功地从石墨中剥离出石墨烯。2010年两人共同获得诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔授奖史上是比较迅速的。石墨是块状晶体材料，石墨烯是二维单层原子晶体材料，两者化学组成相同，就其物质本身而言，石墨烯并不是一种新物质，两者的根本区别在于厚度不同。另外，在做扫描隧道显微镜实验时，为了得到干净的表面，即用胶带剥离高取向的石墨，所以胶带剥离法也不是新方法。那么为什么海姆和诺沃肖洛夫教授能凭借石墨烯获得诺贝尔奖？这值得我们深思。究其原因主要有三个。首先，观念上有突破。经典的二维晶体理论认为：准二维晶体材料由于其本身的热力学扰动，在常温常压下会迅速分解从而不能稳定存在。海姆和诺沃肖洛夫教授从实验上证明二维晶体材料在常温常压下能稳定存在，突破了传统观念。其次，石墨烯独一无二的性能。石墨烯具有许多优异的性能，迄今为止，有些性能仍是独一无二的。如：高强度，石墨烯的强度比金刚石还高（杨氏模量1100GPa，断裂强度125GPa），比世界上最好的钢铁高100倍；高透明性，单层石墨烯的透光度97.7%，几乎完全透明；高导热性，热导率5000W·m?C1·K?C1，是铜的10倍；高载流子迁移率，室温载流子迁移率200000cm2·V?C1·s?C1，是单晶硅的100倍。由于石墨烯的高载流子迁移率，石墨烯基场效应晶体管的截止频率高达400GHz，所以有学者认为：“碳电子学”有可能取代“硅电子学”，从而开创电子学的新时代，这是第三个原因。认真思考石墨烯的发现及海姆和诺沃肖洛夫教授凭此获得诺贝尔奖的原因，对我们如何做开拓性、高水平的研究，乃至如何评价研究成果，不无启发和领悟。
除了上述独一无二的性能外，石墨烯还具有高比表面积（2630m2·g?C1）、高载流子浓度（1013cm?C2）和高的环境、化学、热稳定性。石墨烯是目前已发现的最轻、最薄、强度最大、导电性和导热性最好的材料。石墨烯的这些优异性能一方面激发了人们的研究热情，另一方面掀起了应用开发和产业化的热潮。无论何种材料，其最基本的两个属性：一是能“成材”，如石材、钢材和塑材等；二是能“赚钱”。因此，一些基于石墨烯、含石墨烯或石墨烯改性的展品或产品已面世，如触摸屏、导静电轮胎、导电油墨、移动电源、取暖器、散热器、功能涂料、复合材料和润滑剂等。中国是石墨烯资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。预计2020年全球石墨烯市场将达到1000亿美元，其中，我国的石墨烯市场将占据50%以上的份额，在全球市场上占据主导地位，实现石墨烯“开花在英国”“结果在中国”的国家目标。
受如此大好形势的鼓舞和推动，我们编著了《石墨烯：从基础到应用》一书。本书共分9章。第1章由耿德超博士撰写，介绍了石墨烯的基础知识，包括发现历史，结构、性能和表征手段。第2章由张涛、卢文静、韩江丽、刘津欣和付磊教授撰写，总结了石墨烯的各种制备方法，包括剥离法、SiC外延生长法、电弧放电法、氧化还原法、化学气相沉积法、偏析生长法和自下而上合成法，并对各种制备方法的优缺点进行了评述。第3章由王西鸾副教授和石高全教授撰写，概述了石墨烯化学，包括石墨烯的功能化、化学掺杂、光化学、催化化学和超分子化学。第4章由魏大程教授和蔡智撰写，首先介绍了石墨烯的基本电学性质，接着阐述了电学性能的调控方法，然后介绍了石墨烯在电学器件方面的应用。第5章由李绍娟、沐浩然、王玉生、李鹏飞、薛运周和鲍桥梁教授撰写，首先介绍了石墨烯的线性、非线性光学性质；然后重点综述了石墨烯的各种光学原型器件，包括激光器、光调制器、光偏振器和光探测器；最后介绍了石墨烯表面等离子体的基础知识、观测方法和应用。第6章由夏庆林教授撰写，概述了石墨烯的磁学性质。第7章由苗力孝、孔德斌和智林杰研究员撰写，简要评述了石墨烯基复合材料在五个方面的应用，包括电学复合材料、光学复合材料、生物复合材料、力学热学复合材料和石墨烯基复合材料在其他领域中的应用。第8章由张哲野博士、肖菲副教授和王帅教授撰写，展示了石墨烯作为能源材料的特点和优势以及在超级电容器、二次电池、燃料电池、太阳能电池和储氢等方面的应用前景。第9章由赵增华和王钰研究员撰写，从工业应用的角度评述了石墨烯在功能材料、能量存储与转换和环境监测与治理三个方面的应用前景。虽机遇与风险并存，但前途光明。
中国科学院院士、北京大学刘忠范教授在百忙之中欣然为本书作序，为本书增色不少，我们非常感激。
石墨烯的基础研究和应用开发发展十分迅速，新的知识、成果不断涌现，文献资料指数式增加，由于编著者的水平有限，书中难免有不妥之处，恳请专家和读者批评指正！
刘云圻
2017年3月
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