石墨烯_化學_自然科學_專業(yè)資料

1、石墨烯與其他碳元索的區(qū)別在近20年中，碳元素引起了壯界各國研究人員的極人興趣。白富勒烯和碳納米管被科學家 發(fā)現(xiàn)以后，三維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的 碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結(jié)構(gòu)一直以來是研究的一個熱點。石墨本體并非是真正 意義的二維材料，單層石墨碳原了層(graphene)才是準二維結(jié)構(gòu)的碳材料。石墨可以看成是 多層石墨烯片堆垛而成，而前面介紹過的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當石墨 烯的品格中存在五元環(huán)的品格吋，石墨烯片會發(fā)生翹曲，富勒球可以便看成通過多個六元環(huán) 和五元環(huán)按照適當順序排列得到的2、代替硅主產(chǎn)超級計算機科學家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還

2、是目前已知導電性能最岀色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高 頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電了工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電了設(shè)備，例如手機，由于工程師們正在 設(shè)法將越來越多的信息填充在信號中，它們彼要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻 率越高，熱量也越高，于是，高頻的捉升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升 的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應用潛力。研究人員其 至將石墨烯看作是硅的替代站，能用來牛產(chǎn)未來的超級計算機。3、光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上,這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶 的信息的，現(xiàn)在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結(jié)

3、束。去年10月，ibm的 一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們耍期待的就是基于石墨 烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更 優(yōu)良的透光性。5、柔軟的透明電極很多電器里，都需要用到透明的導電材料作為電極，電子表、計算器、電視機、液品顯示器、 觸摸屏、太陽能電池板等等諸多設(shè)備里都無法離開透明電極的存在。傳統(tǒng)的透明電極用的是 氧化錮錫(簡稱ito),由于錮的價格高昂和供丿'v受限，而且這種材料比較脆，缺乏柔韌性， 并且制作電極過程屮需要在真空屮層沉積而成本比較高，很長時間以來，科學家們都在致力 于尋找它的替代品。除了透明、導電

4、性好、容易制備等要求，還需耍材料本身的柔韌性比較 好而石墨烯e是這么一種材料，非常合適來做透明電極。韓國三星公司和成均館大學的研究人員利用化學氣相沉積的方法獲得了對角長度為30英寸 的石黑烯，并將其轉(zhuǎn)移到188微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,簡 稱pet)薄膜上，進而制造出了以石墨烯為慕礎(chǔ)的觸摸屏6、石墨烯動力鋰電池10分鐘就能完成充電，還不損害電池使用壽命。劉兆平說，利川石墨烯制成的石墨烯動力鋰電池，電池極片的導電性能更高，電池內(nèi)的電阻 更小，蓄電能力、快速充放電能力比普通鋰電池強得多為何叫“石墨烯”，其尺度有多人？在有機化學中碳原子間有碳雙

5、鍵的烯炷類化合物,如，乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯 (benzene),命名時均以ene結(jié)尾，石墨烯是石墨中的一個單層，該單層又全部由碳原子經(jīng) 原了間的雙鍵和單鍵聯(lián)成的六角苯環(huán)狀的網(wǎng)平而構(gòu)成，因此被命名為graphene,當然其屮文 譯名也就相應地成了 “石墨烯”。石墨烯是碳原了之間，如同手拉手一樣，相互成鍵形成的一種碳分了，隨加入碳原了數(shù)量的 增多，網(wǎng)平面就能不斷擴人，具分子也就隨之變?nèi)?。因此其尺度也就可人可小。單層石墨?只冇一個碳原了的厚度，即只冇0.335納米，這一厚度約為頭發(fā)的20萬分z-,這樣1毫 米厚度的石墨中就將近有150萬層左右的石墨烯。其實，任何物質(zhì)都

6、有長、寬、厚度，可以 說都是三維的，但習慣上當某一方向為納米級時，便認為可將其忽略。那么。究竟多少層才 可算做是二維石墨烯材料?由于石墨烯的電子結(jié)構(gòu)等性能隨層數(shù)增加急劇改變，因此冃前較 為一致的意見是單層、雙層、多層（310層）三種都可算是二維石墨烯材料,而超過10層的就 被認為是石墨薄膜。石墨烯-介紹石墨烯是一種從石墨材料屮剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。這種石墨晶 體薄膜的厚度只有0.335納米，把20力片薄膜蒂加到一起，也貝有一根頭發(fā)絲那么厚。它 是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞諾沃謝夫和安德烈蓋姆小組首先發(fā)現(xiàn)的。忖前冇三 種方法制備石墨烯，一種是加熱sic的方法，另一-種

7、是輕微摩擦法或撕膠帶法，第三種是化 學分散法。石墨烯-特性石墨烯是一種二維品體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠 超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電了，或更準確地，應稱為“載荷 子”（electric charge carrier）,的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似。石黑烯是山碳原子按六邊形品格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的品格 結(jié)構(gòu)，常被誤認為很僞硬，但事實并非如此。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌，當施加 外部機械力時，碳原了血就彎1111變形。這樣，碳原了就不需要重新排列來適m外力，這也就 保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛

8、石還堅硬，同時可以像拉橡膠一樣進行拉伸。 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動吋，不會 因品格缺陷或引入外來原子而發(fā)牛散射。山于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍 碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。石墨烯被證實是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬的物質(zhì)。美國哥倫比亞人學兩名華裔科 學家最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，競?cè)槐茹@石還堅碩，強度比 世界上最好的鋼鐵還耍高上100倍。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿 里巴巴”之門，讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長（約合37000 t米）太空電梯口j能成為現(xiàn)實。 其

9、厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨 烯兒乎透明，其分子排列緊密，即使原子尺寸最小的氨也不能通過。美國機械工程師杰弗 雷基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石 墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上, 才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。石墨烯的另一特性是，其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠 超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。還有，其導熱性超過現(xiàn)有一切己知物質(zhì)。石 墨烯的上述特性非常冇利于超薄柔性oled顯示器的開發(fā)。據(jù)了解，韓國三星公司的研

10、究人 員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，須先對相対論量子力學或稱量子電動力 學做一些了解。經(jīng)典物理學屮，一個能量綾低的電了遇到勢壘的時候，如果能量不足以讓它爬升到勢壘 的頂端，那它就只能待在這一側(cè);在量子力學小，電子在某種程度上是可以看作是分布在空 間各處的波。當它遇到勢壘的吋候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是零到一z間 的一個數(shù);而當石墨烯中電了波以極快的速度運動到勢壘前時，就需要用量了電動力學來解 釋。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地岀現(xiàn)在勢壘的另一側(cè)。以下實驗證實了量了電動力學的預言：事先在一

11、片石墨烯晶體上人為施加一個電壓(相 當于一個勢壘)，然后測定石墨烯的電導率。i般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會隨之 增加，但事實并非如此，因為所有的粒子都發(fā)牛了量子隧道效應，通過率達100%0這也解 釋了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完全口由地穿行?？偨Y(jié)一下特性：基于它的化學結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多獨特的物理化學性質(zhì)，如高比表 面積、高導電性、機械強度高、易于修飾及人規(guī)模生產(chǎn)等。石墨烯應用石黑烯的應用范圍很廣，從電子產(chǎn)胡到防彈衣和造紙，甚至未來的太空電梯都可以以石 墨烯為原料。1可做“太空電梯”纜線據(jù)科學家稱,地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度最高的物質(zhì), 它

12、將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可 以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴” z門。 美國研究人員稱，“太空電梯”的最人障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、 長達23000英里并11足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度最高的物質(zhì)“石墨烯” 完全適合用來制造太空電梯纜線。人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成木將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激 勵科學家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國nasa此前還發(fā)出了 400萬美元的懸賞。2.代替硅生產(chǎn)超級計算機據(jù)科學家稱，石墨烯除了異常牢固外，還具有一

13、系列獨一無二的特性，石墨烯還是目前 已知導電性能最出色的材料，這使它在微電了領(lǐng)域也具冇巨大的應用潛力。研究人員甚至將 石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機。ibm宣布研發(fā)出號稱全世界速度最快的石黑烯(graphene)場效品體管(fet),可在26ghz 頻率下運作。該公司thomas j. watson研究中心的研究人員并預測，碳元素更高的電子遷移 率，可望使該種材料超越硅的極限，達到100ghz以上的速度跨入兆赫(terahertz)領(lǐng)域。石墨烯獲諾貝爾獎他們曾是師生，現(xiàn)在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，也怦一同在荷蘭 學習和研究，授后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈海姆 和康斯坦丁 諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個碳原 子厚。與所冇其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導電 性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比目前任何 其他材料的導熱效果都好。海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示岀優(yōu)點和良好性能，因此石墨烯可能最終 會替代硅。山于成來要經(jīng)得起吋間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果i兒或兒十年 后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備