石墨烯_化學(xué)_自然科學(xué)_專(zhuān)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(guó)研究人員的極人興趣。白富勒烯和碳納米管被科學(xué)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(lái)是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。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(zhǔn)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(guò)的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當(dāng)石墨 烯的品格中存在五元環(huán)的品格吋，石墨烯片會(huì)發(fā)生翹曲，富勒球可以便看成通過(guò)多個(gè)六元環(huán) 和五元環(huán)按照適當(dāng)順序排列得到的2、代替硅主產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還

2、是目前已知導(dǎo)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(jī)，由于工程師們正在 設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們彼要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)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(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員其 至將石墨烯看作是硅的替代站，能用來(lái)牛產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。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(chǎng)上,這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶 的信息的，現(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)

3、束。去年10月，ibm的 一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們耍期待的就是基于石墨 烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有?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(dǎo)電材料作為電極，電子表、計(jì)算器、電視機(jī)、液品顯示器、 觸摸屏、太陽(yáng)能電池板等等諸多設(shè)備里都無(wú)法離開(kāi)透明電極的存在。傳統(tǒng)的透明電極用的是 氧化錮錫(簡(jiǎn)稱(chēng)ito),由于錮的價(jià)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(guò)程屮需要在真空屮層沉積而成本比較高，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，科學(xué)家們都在致力 于尋找它的替代品。除了透明、導(dǎo)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(lái)做透明電極。韓國(guó)三星公司和成均館大學(xué)的研究人員利用化學(xué)氣相沉積的方法獲得了對(duì)角長(zhǎng)度為30英寸 的石黑烯，并將其轉(zhuǎn)移到188微米厚的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,簡(jiǎn) 稱(chēng)pet)薄膜上，進(jìn)而制造出了以石墨烯為慕礎(chǔ)的觸摸屏6、石墨烯動(dòng)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(shuō)，利川石墨烯制成的石墨烯動(dòng)力鋰電池，電池極片的導(dǎo)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(qiáng)得多為何叫“石墨烯”，其尺度有多人？在有機(jī)化學(xué)中碳原子間有碳雙

5、鍵的烯炷類(lèi)化合物,如，乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯 (benzene),命名時(shí)均以ene結(jié)尾，石墨烯是石墨中的一個(gè)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(dāng)然其屮文 譯名也就相應(yīng)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(kuò)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(gè)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(wàn)分z-,這樣1毫 米厚度的石墨中就將近有150萬(wàn)層左右的石墨烯。其實(shí)，任何物質(zhì)都

6、有長(zhǎng)、寬、厚度，可以 說(shuō)都是三維的，但習(xí)慣上當(dāng)某一方向?yàn)榧{米級(jí)時(shí)，便認(rèn)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(jiàn)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(guò)10層的就 被認(rèn)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(xué)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(xué)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(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電了，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱(chēng)為“載荷 子”（electric charge carrier）,的性質(zhì)和相對(duì)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(rèn)為很僞硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常柔韌，當(dāng)施加 外部機(jī)械力時(shí)，碳原了血就彎1111變形。這樣，碳原了就不需要重新排列來(lái)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(jiān)硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)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(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)吋，不會(huì) 因品格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)牛散射。山于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)?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(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。美國(guó)哥倫比亞人學(xué)兩名華裔科 學(xué)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(jìng)?cè)槐茹@石還堅(jiān)碩，強(qiáng)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(kāi)了一扇“阿 里巴巴”之門(mén)，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)（約合37000 t米）太空電梯口j能成為現(xiàn)實(shí)。 其

9、厚度只有0.335納米，把20萬(wàn)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(guò)。美國(guó)機(jī)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(qiáng)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(dǎo)電電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過(guò)了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度。還有，其導(dǎo)熱性超過(guò)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(kāi)發(fā)。據(jù)了解，韓國(guó)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(jìn)一步說(shuō)明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，須先對(duì)相対論量子力學(xué)或稱(chēng)量子電動(dòng)力 學(xué)做一些了解。經(jīng)典物理學(xué)屮，一個(gè)能量綾低的電了遇到勢(shì)壘的時(shí)候，如果能量不足以讓它爬升到勢(shì)壘 的頂端，那它就只能待在這一側(cè);在量子力學(xué)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(dāng)它遇到勢(shì)壘的吋候，有可能以某種方式穿透過(guò)去，這種可能性是零到一z間 的一個(gè)數(shù);而當(dāng)石墨烯中電了波以極快的速度運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘前時(shí)，就需要用量了電動(dòng)力學(xué)來(lái)解 釋。量子電動(dòng)力學(xué)作出了一個(gè)更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地岀現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)。以下實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量了電動(dòng)力學(xué)的預(yù)言：事先在一

11、片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓(相 當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘)，然后測(cè)定石墨烯的電導(dǎo)率。i般認(rèn)為，增加了額外的勢(shì)壘，電阻也會(huì)隨之 增加，但事實(shí)并非如此，因?yàn)樗械牧Ｗ佣及l(fā)牛了量子隧道效應(yīng)，通過(guò)率達(dá)100%0這也解 釋了石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性：相對(duì)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(xué)結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表 面積、高導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、易于修飾及人規(guī)模生產(chǎn)等。石墨烯應(yīng)用石黑烯的應(yīng)用范圍很廣，從電子產(chǎn)胡到防彈衣和造紙，甚至未來(lái)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(xué)家稱(chēng),地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱(chēng)是人類(lèi)已知的強(qiáng)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(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可 以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴” z門(mén)。 美國(guó)研究人員稱(chēng)，“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(zhǎng)達(dá)23000英里并11足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)“石墨烯” 完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線。人類(lèi)通過(guò)“太空電梯”進(jìn)入太空，所花的成木將比通過(guò)火箭升入太空便宜很多。為了激 勵(lì)科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅(jiān)韌材料，美國(guó)nasa此前還發(fā)出了 400萬(wàn)美元的懸賞。2.代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)據(jù)科學(xué)家稱(chēng)，石墨烯除了異常牢固外，還具有一

13、系列獨(dú)一無(wú)二的特性，石墨烯還是目前 已知導(dǎo)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(yīng)用潛力。研究人員甚至將 石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。ibm宣布研發(fā)出號(hào)稱(chēng)全世界速度最快的石黑烯(graphene)場(chǎng)效品體管(fet),可在26ghz 頻率下運(yùn)作。該公司thomas j. watson研究中心的研究人員并預(yù)測(cè)，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(dá)到100ghz以上的速度跨入兆赫(terahertz)領(lǐng)域。石墨烯獲諾貝爾獎(jiǎng)他們?cè)菐熒?，現(xiàn)在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，也怦一同在荷蘭 學(xué)習(xí)和研究，授后他們又一起在英國(guó)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(xué)獎(jiǎng)。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(gè)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(dǎo)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(dǎo)體，石墨烯比目前任何 其他材料的導(dǎo)熱效果都好。海姆和諾沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示岀優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終 會(huì)替代硅。山于成來(lái)要經(jīng)得起吋間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)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