石墨烯的性質(zhì)及其應(yīng)用前景

1、.石墨烯的性質(zhì)及其應(yīng)用前景 碳元素是自然界中非常重要的元素，存在石墨、金剛石、富勒烯等多種同素異形體。石墨烯（Graphene），是碳材料家族的新成員，它的發(fā)現(xiàn)，使碳材料家族形成了從零維的富勒烯、一維的碳納米管、二維的石墨烯到三維的金剛石和石墨的完整體系。自其問世以來，引起了大量科研人員的關(guān)注，同時引發(fā)了一場全球性的科學(xué)技術(shù)革命。石墨烯作為一種新興的碳納米材料，具有獨特的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，使其在電子器件、場發(fā)射材料、復(fù)合材料、氣體傳感器、能量存儲以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯材料的研究也是近些年來最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。大量學(xué)者認(rèn)為石墨烯極有可能代替硅成為未來的半導(dǎo)體材

2、料。本文簡要介紹了石墨烯多方面的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用前景，總結(jié)了近幾年來一些科學(xué)工作者相關(guān)的研究成果。1.引言 時至今日，人類對石墨烯的研究共有60多年的歷史。石墨烯最初僅被看成一種理論模型來模擬石墨及碳納米管等碳材料的特性。根據(jù)傳統(tǒng)觀點，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，石墨烯，這種二維晶體，是不能穩(wěn)定存在的。直到2004年，Geim和Novoselov利用“微機(jī)械剝離法（Mechanical Exfoliation）”得到了穩(wěn)定存在的單層石墨烯，才推翻了傳統(tǒng)的觀點。二人也因這一研究成果于2010年共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。除機(jī)械剝離法外，液相剝離法和氧化-還原法等，也都是通過破壞石墨間的范德華力，剝離出石墨

3、單分子層，來制備石墨烯的方法。另一類制備方法是化學(xué)合成法，包括化學(xué)氣相沉淀法和碳化硅熱解法等。石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高，與其他物質(zhì)間的作用力弱，且片層之間有較強(qiáng)的范德華力, 容易聚集, 使其難溶于水及常用的有機(jī)溶劑, 給研究和應(yīng)用石墨烯造成了極大的困難，是對石墨烯進(jìn)一步研究所面臨的難題。 廣義上，石墨烯分為單層石墨烯、多層石墨烯、還原氧化石墨烯和石墨烯納米帶。但從嚴(yán)格定義上講，石墨烯是指單層石墨烯。石墨烯呈現(xiàn)幾乎完全透明的狀態(tài)，碳原子排列與石墨的單原子層相同，可以看成是由單一的石墨原子層構(gòu)成的。石墨烯的厚度約為0.335nm，碳碳鍵長約為0.142nm，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。理想情況下，在石墨烯中碳原子呈

4、六方網(wǎng)環(huán)狀排列(圖1)，但實際上，石墨烯碳原子的排列還會存在五方環(huán)、七方環(huán)等形式的缺陷（圖2）。 目前，石墨烯是世界上最薄，最堅硬的納米材料，由碳原子以sp2雜化軌道相作用緊密堆積形成的。微觀尺度下的石墨烯的表面并不平整，局部存在起伏和褶皺。且該種在納米級別上微觀扭曲的特殊結(jié)構(gòu)是由于室溫條件下碳原子化學(xué)鍵鍵合的多重性。同時，石墨烯是構(gòu)成木炭、碳納米管和富勒烯這幾種碳的同素異形體的基本單元。例如，一維的碳納米管可以看做是卷成圓筒狀的石墨烯；零維的富勒烯可以看做是五角形的石墨烯圍裹而成的。2.電學(xué)性質(zhì) 石墨烯是一種導(dǎo)電性能良好的材料。，在石墨烯的電子結(jié)構(gòu)中，位于導(dǎo)帶的*軌道電子與位于價帶的軌道電子

5、相交于費米能級的K和K點，因此，石墨烯為零帶隙的半導(dǎo)體，顯示金屬性。又因為位于Dirac點附近的載流子有效質(zhì)量為零，所以，石墨烯中的電子又被成為無質(zhì)量的Dirac-Femi子。且碳碳鍵中共軛大鍵為半填滿狀態(tài)，鍵中的電子為非定域的，所以電子在石墨烯平面受到的阻力較小，能自由移動，傳輸速度約為106m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子在一般半導(dǎo)體中的運動速度，表現(xiàn)出相對論效應(yīng)；即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級。常溫下，其電子遷移率超過1.5m2/(Vs)，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍,而機(jī)械法剝離制備的單層石墨烯載流子遷移率高達(dá)20 m2/(Vs)。電阻率約10-6歐

6、cm，低于銀，是世界上電阻率最小的材料。關(guān)于石墨烯中Dirac-Femi子在有限力程雜質(zhì)散射情況下的運輸問題的研究表明，局域化現(xiàn)象存在于有限濃度載流子的大塊樣品中，而對于小樣品的低溫局域化非常弱；當(dāng)載流子濃度接近零，體系為反局域化。石墨烯具有二維電子特性。進(jìn)些年來，石墨烯已被觀測到室溫量子霍爾效應(yīng)、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。其霍爾電導(dǎo)等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測到。而且石墨烯的的能帶（圖3）與電子結(jié)構(gòu)和剪裁形狀密切相關(guān)。石墨烯多種優(yōu)異的電學(xué)性能使其成為制作納米電路的理想材料和驗證霍爾效應(yīng)的理想材料。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在

7、利用化學(xué)合成法制備石墨烯的過程中，成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)晶體管并觀測到了量子干涉效應(yīng)。圖3石墨烯能帶結(jié)構(gòu)3.力學(xué)性質(zhì) 石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。石墨烯中碳原子通過穩(wěn)定性強(qiáng)的鍵并附加上的作用與相鄰的3個碳原子形成穩(wěn)定的六角形平面結(jié)構(gòu)，這些很強(qiáng)的鍵非常柔韌，當(dāng)外力施加于石墨烯材料時，碳原子面會彎曲變形，碳原子的排布便不會遭到破壞，從而保持穩(wěn)定，使其具有非常高的抗壓和抗拉能力。實驗中測得石墨烯的本征強(qiáng)度 為125GPa，是鋼的100 多倍，為世界上最牢固的材料。實驗研究表明，以1020nm的石墨烯微粒為研究對象，每100nm可承受的最大壓力為2.9N。4.熱學(xué)性質(zhì)及其它性質(zhì) 石墨烯擁有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能主要是因為其穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)。室溫下，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000W/(mK)，高于多壁納米管的3000 W/(mK)和單壁納米管的3500 W/(mK)，遠(yuǎn)高于一些常見金屬，且是金剛石的3 倍。石墨烯的傳熱主要是靠聲子傳遞。在300K的溫度下石墨烯的熱傳導(dǎo)率主要