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第1章 石墨烯的基础知识&耿德超（中国科学院化学研究所）1

1.1 石墨烯的发现历史2

1.2 石墨烯的基本结构与性能6

1.2.1 石墨烯的基本结构6

1.2.2 石墨烯的基本性能6

1.3 石墨烯的基本表征手段15

1.3.1 光学显微分析15

1.3.2 电子显微分析18

1.3.3 扫描探针显微分析22

1.3.4 拉曼光谱分析26

参考文献27

第2章 石墨烯的制备&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）33

2.1 剥离法34

2.1.1 机械剥离法34

2.1.2 化学剥离法37

2.2 SiC表面外延生长法41

2.2.1 在SiC的Si终止面外延生长石墨烯42

2.2.2 在SiC的C终止面外延生长石墨烯43

2.3 电弧放电法44

2.4 氧化还原法45

2.4.1 石墨氧化物的制备45

2.4.2 石墨氧化物的还原49

2.5 化学气相沉积法56

2.5.1 金属表面化学气相沉积56

2.5.2 绝缘基底表面化学气相沉积73

2.6 其他方法76

2.6.1 偏析生长石墨烯77

2.6.2 自下而上合成石墨烯79

2.6.3 切开碳纳米管制备石墨烯80

2.6.4 TEM电子束石墨化81

2.7 石墨烯的转移82

2.7.1 将机械剥离的石墨烯转移至任意基底上83

2.7.2 剥离SiC表面外延生长的石墨烯85

2.7.3 将金属上以CVD法生长的石墨烯转移至任意基底上87

2.7.4 任意基底上生长的石墨烯的通用转移法95

2.7.5 小结96

参考文献97

第3章 石墨烯化学&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）105

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&魏大程，蔡智（复旦大学高分子科学系）168

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&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）211

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&夏庆林（中南大学物理与电子学院）263

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&苗力孝，孔德斌，智林杰（国家纳米科学中心）299

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&张哲野，肖菲，王帅（华中科技大学化学与化工学院）339

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&赵增华，王钰（中国科学院过程工程研究所）375

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