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石墨烯


2016-1-14 9:28:09  

    石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至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,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

    石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的猫。

    石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

    发展历程

    实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

    石墨烯在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此,在随后三年内, 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。

    在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

    结构组成

    石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

    类别划分

    单层石墨烯(Graphene):指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

    双层石墨烯(Bilayer or double-layer graphene):指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

    多层石墨烯(Few-layer or multi-layer graphene):指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

    石墨烯(Graphenes):是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。

     基本特性

    电子运输

    在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话)物理学家认为热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

    石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”。

    导电性

    石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

    石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。

    石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

    导热性

    石墨烯具有极高导热系数, 近年来被提倡用于散热等方面, 在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。美国加州大学一项研究显示 , 石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜,其厚度在10~200 μm之间可控,室温面向热导率高达977 W/m•K,拉伸强度超过15 MPa。普通碳纳米管的导热系数可达3000W/mK以上, 各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝, 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK, 甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料 。与纯石墨烯相比, 还原剥离氧化石墨得到热导率相对较低(0.14 ~ 2.87 W/mK)的石墨烯(RGOx)。其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关, 原因是RGOx薄片即使经过热还原处理后仍然具有氧化性。导热率可能与其中残余的化学官能团、破坏的碳六元环等缺陷有关化学结构被氧化导致晶格缺陷的产生, 阻止了热传导作用。

    机械特性

    石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。

    研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。

    电子的相互作用

    利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

    科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器#。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

    化学性质

    我们至今关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用,然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍:缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决,研究石墨烯化学将面临重重困难。

    主要应用

    石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证,例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的,是它那许多“极端”性质的物理性质。

    因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

    在塑料里掺入百分之一的石墨烯,就能使塑料具备良好的导电性;加入千分之一的石墨烯,能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料,用于制造汽车、飞机和卫星。

    随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

    消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片,为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,相信大规模商用指日可待。

    另一方面,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

    由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

    研究成果

    最小最快石墨烯晶体管

    2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。

    该晶体管的截止频率为155GHz,使得其速度更快的同时,也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。

    IBM研究人员林育名表示,石墨烯晶体管成本较低,可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能,为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向,从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。

    全球最小光学调制器

   可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待

    美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器,科学家表示,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望将互联网速度提高一万倍,一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的,研究论文于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于,用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料,做成一个高速、对热不敏感,宽带、廉价和小尺寸的调制器,从而解决了业界长期未能解决的问题。

    低成本石墨烯电池

    或将实现“一分钟充电”

    美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。

    石墨烯手机

    2015年03月02日,全球首批3万部石墨烯手机在渝发布,该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜,可接受官方预定,16G售价2499元。其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。

    石墨烯指数

    2015年5月18日,国家金融信息中心指数研究院在江苏省常州市发布了全球首个石墨烯指数。指数评价结果显示,全球石墨烯产业综合发展实力排名前三位的国家分别是美国、日本和中国。

    可呼吸二氧化碳电池

    2015年5月,南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。这种电池以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极,以金属锂作负极,吸收空气中的二氧化碳释放能量。

    特殊石墨烯材料

    2015年6月,南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究,获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行,其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。该研究成果令“光动”飞行成为可能。

    超级材料

    2015年9月,中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员称,利用细小的烯管状石墨烯构成了一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构,创造出了一种泡沫状材料。这种材料的强度比同重量的钢材要大207倍,而且能够以极高的效率导热和导电。

    刊登在《高级材料》周刊的研究报告称,这种新材料能够支撑起相当于其自身重量40万倍的物体而不发生弯曲。这种新材料的特性意味着其可以用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫,以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。

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