石墨烯研究發(fā)展歷史和最新進(jìn)展graphene

1、石墨烯-正改變世界未來What is graphene?How was it discovered?What special properties it hasHow to make itWhat is graphene? 石墨烯是由一層碳原子構(gòu)成的二維碳納米材料，可以理解為最薄的石墨根據(jù)嚴(yán)格意義上的二維原子晶體場(chǎng)理論，熱力學(xué)上嚴(yán)格獨(dú)立的二維原子晶體是不穩(wěn)定的但是準(zhǔn)二維原子晶體材料，即具有褶皺的或者附在其他基底上的二維材料是可以存在的How was it discovered?首先介紹石墨的結(jié)構(gòu)：石墨每層中的sp2雜化的碳原子形成一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)，然后未參與雜化的p軌道相互共軛形成了一個(gè)n軌道n電

2、子的共軛體系層內(nèi)碳原子的相互作用力是很強(qiáng)的，但是在石墨層間的作用力只有很弱的范德華力這樣原子力顯微鏡或掃描隧道顯微鏡的探針與石墨表面的作用力都可以用來剝離石墨層于是Geim和Novoselov就利用這個(gè)原理，不斷的用膠帶反復(fù)刮擦石墨片，直到獲得石墨烯。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的這兩位教授就是憑借這一開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)What special properties it hasElectrochemical properties電子遷移率極高:由于石墨每一層中都有一個(gè)巨大的共軛體系，載流子可以以近乎光速的速度移動(dòng)，因此石墨烯具有很高的電子遷移率它是室溫電阻率最低的材料它還具有室溫的

3、量子霍爾效應(yīng)和自旋傳輸性質(zhì)所以它很可能成為下一代電子器件的革命性材料石墨烯晶體管顯著優(yōu)點(diǎn)：提高晶體管截止頻率最近有很多關(guān)于Ghz級(jí)別的石墨烯晶體管見諸報(bào)道。目前最快的石墨烯晶體管可以達(dá)到100Ghz的截止頻率。目前報(bào)道的所有射頻石墨烯晶體管的一個(gè)弱點(diǎn)是其不令人滿意的飽和特性。然而在這種情況下（很小的飽和電流）依然能勝過硅基。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)的石墨烯微型超級(jí)電容器。=網(wǎng)速提高十萬倍，一秒鐘可以下載十部電影美研制石墨烯新超級(jí)電池幾秒內(nèi)完成充電2012011 1年年0 09 9月月0 01 1日日 科技日?qǐng)?bào)科技日?qǐng)?bào)Optical properties單層石墨烯對(duì)可見光約有3.2%的

4、吸收，該性質(zhì)來源于石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)石墨烯還表現(xiàn)出很好的非線性光學(xué)吸收特性，即當(dāng)強(qiáng)烈的光照射在石墨烯上時(shí)，石墨烯對(duì)可見和紅外等波段的光具有良好的吸收加之其零帶隙的特征，使石墨烯很容易變得對(duì)光飽和。因此，石墨烯對(duì)光具有較低的飽和通量（這一性質(zhì)使石墨烯在許多光學(xué)領(lǐng)域如激光開關(guān)、光子晶體等具有良好的應(yīng)用前景）石墨烯的聚光潛力英將石墨烯聚光能力提高英將石墨烯聚光能力提高20倍倍 科學(xué)家通過將石墨烯和納米金屬結(jié)構(gòu)耦合在一起，并將金屬結(jié)構(gòu)采用特殊的排列方法置于石墨烯上解決了這個(gè)問題。這種所謂的等離子體納米結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了能被石墨烯感應(yīng)的光電場(chǎng)，將石墨烯的聚光性能提高了20倍，而且其數(shù)據(jù)處理速度沒有受到絲毫

5、影響。石墨烯春卷碳納米管的光電紅外探測(cè)設(shè)備紅外探頭一般應(yīng)具備這樣的結(jié)構(gòu)特征和性能特點(diǎn)：大面積、高密集度、呈現(xiàn)明顯的均勻陣列結(jié)構(gòu)，易于光偶合，有較高的響應(yīng)性，生成的像素點(diǎn)均勻性好，死像素點(diǎn)數(shù)目少，并且性能穩(wěn)定然后，碳納米管陣列完美符合這些要求，并且還具有許多附加優(yōu)質(zhì)性能前不久，新加坡南洋理工大學(xué)的科研人員的一項(xiàng)研究成果讓網(wǎng)媒爭(zhēng)相轉(zhuǎn)載。這項(xiàng)成果和石墨烯相關(guān)，科研人員將其作為原料之一，制造了一種圖像傳感器石墨烯太陽能電池：相對(duì)其他材料，石墨烯具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，由于石墨烯的單層原子的特性：其單層原子的厚度和巨大表面積加之其優(yōu)越的導(dǎo)電性能它被認(rèn)為能夠提高量子點(diǎn)太陽能電池電子傳輸能力同時(shí)使入射光的吸收閾值達(dá)

6、到最小。mechanical property 石墨、金剛石和碳納米管都有很好的機(jī)械性質(zhì)，特別是它們都具有極高的楊氏模量，其斷裂強(qiáng)度是鋼的42倍。 并且石墨烯還具有極高的硬度。因此石墨烯被認(rèn)為是目前最強(qiáng)的材料。 石墨烯的彈性常數(shù)，結(jié)合其高的楊氏模量，使石墨烯可能成為很好的微型壓力和力學(xué)傳感器及共振器。石墨烯突出的力學(xué)性能，使其成為復(fù)合材料增強(qiáng)劑的理想選擇。由于其極低的密度，他在許多方面比金屬和其它無機(jī)材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)。美華裔科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最高強(qiáng)度物質(zhì)美華裔科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最高強(qiáng)度物質(zhì) 美國(guó)機(jī)械工程師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

7、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。世界首款配備石墨烯薄膜耳機(jī)原型問世世界首款配備石墨烯薄膜耳機(jī)原型問世 加州大學(xué)伯克利分校的研究人員研發(fā)了一款以石墨烯作為薄膜材料的耳機(jī)。通常，大部分的耳機(jī)都需要人造阻尼材料，但由于石墨烯良好的物理性，使得這層石墨烯薄膜并不需要人為阻尼，它依靠空氣，使得耳機(jī)的振動(dòng)頻率非常出色。The permeability 雖然石墨烯只有一個(gè)原子厚，但是它對(duì)絕大多數(shù)氣體、蒸汽和液體都具有很好的抗透性，這包括最小的氣體分子氦氣。 這一性能使石墨烯有可能發(fā)展成為一種柔軟輕便的抗透性材料。 最新的研究表明，基于石墨烯氧化物的薄膜，同樣對(duì)

8、氣體和液體具有良好的抗頭性，但是，令人驚奇的是，其對(duì)水分子卻有良好的通透性（是氦氣分子的十倍）。美防務(wù)企業(yè)研發(fā)低成本石墨烯海水淡化技術(shù)美防務(wù)企業(yè)研發(fā)低成本石墨烯海水淡化技術(shù)美國(guó)著名防務(wù)企業(yè)洛克希德氠丁公司希望在2013年年底之前研發(fā)出石墨烯海水過濾裝置原型樣機(jī)。Geim等將石墨烯氧化物薄膜的這種性能歸結(jié)于薄膜中氧化石墨烯層之間形成的納米毛細(xì)管。除此之外，對(duì)水的通透性還可能源于石墨烯氧化物上眾多的親水基團(tuán)，但是相關(guān)的機(jī)理還有待驗(yàn)證。Thermal conductivity 因?yàn)樵谑Y(jié)構(gòu)中，每一層的石墨骨架之間相距較遠(yuǎn)并且相互之間的作用力相對(duì)較弱，因此石墨沿平面方向的熱導(dǎo)率為垂直方向的一百倍以上

9、。 石墨烯的熱導(dǎo)率比天然材料中熱導(dǎo)率最高的金剛石還要高1.5倍。How to make it HOPGHOPG微機(jī)械剝離法微機(jī)械剝離法 利用手工或超聲的方法將高取向性高溫?zé)峤馐檬止せ虺暤姆椒▽⒏呷∠蛐愿邷責(zé)峤馐?HOPG)(HOPG)逐層剝離，逐層剝離，缺點(diǎn)是效率低、無法大面積，優(yōu)點(diǎn)是層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。缺點(diǎn)是效率低、無法大面積，優(yōu)點(diǎn)是層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。如果采用超聲剝離如果采用超聲剝離技術(shù)，可以提高效技術(shù)，可以提高效率和成品率率和成品率Nanotechnology, 2008, 19: 455601 SiCSiC襯底高溫?zé)峤夥ㄒr底高溫?zé)峤夥?超高真空超高真空

10、(10(10-10-10Torr)Torr)下對(duì)下對(duì)SiCSiC襯底氧化或氫化處理，加熱至襯底氧化或氫化處理，加熱至1200150012001500，再降溫冷，再降溫冷卻形成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是可得到單層和雙層石墨烯，缺點(diǎn)是成本高、均勻性差，卻形成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是可得到單層和雙層石墨烯，缺點(diǎn)是成本高、均勻性差，Si Si面形面形成單層或少層片狀石墨烯，成單層或少層片狀石墨烯，C C面形成多層石墨烯。面形成多層石墨烯。Graphene and Emerging Materials for Post-CMOS Applications, 2009,19(5):125-130C-terminate SiCS

11、i-terminate SiC 過渡族金屬襯底過渡族金屬襯底CVDCVD法法 首先沉積一層過渡族金首先沉積一層過渡族金屬屬(如如Fe、Cu、Ni、Pt、Au、Ru、Ir等等)薄膜作為襯底，利薄膜作為襯底，利用其與用其與C的高溫固溶，然后的高溫固溶，然后冷卻析出，再表面重構(gòu)，形冷卻析出，再表面重構(gòu)，形成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是有利于大成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是有利于大面積晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)；缺面積晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)；缺點(diǎn)是層數(shù)精確控制較難，需點(diǎn)是層數(shù)精確控制較難，需要進(jìn)行金屬襯底剝離和襯底要進(jìn)行金屬襯底剝離和襯底轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移。Nature, Letters, 2009,457:07719 氧化氧化- -分散分散- -還原法

12、還原法 將石墨氧化后分散將石墨氧化后分散(超聲、超聲、高速離心高速離心)到溶液中得到前體，到溶液中得到前體，再用還原劑還原得到單層或多再用還原劑還原得到單層或多層石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，層石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是可控性差，生產(chǎn)率低，缺點(diǎn)是可控性差，生產(chǎn)率低，石墨烯中含氧功能團(tuán)多，導(dǎo)電石墨烯中含氧功能團(tuán)多，導(dǎo)電性差。性差。 石墨烯主要制備方法比較石墨烯主要制備方法比較工藝名稱工藝名稱優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍適用范圍微機(jī)械微機(jī)械剝離剝離工藝簡(jiǎn)單，可得到單層工藝簡(jiǎn)單，可得到單層手工、費(fèi)時(shí)，面積小，無手工、費(fèi)時(shí)，面積小，無法批量生產(chǎn)法批量生產(chǎn)基礎(chǔ)研究或者原基礎(chǔ)研究或者原型器件型器件SiC高溫?zé)岣?/p>

13、溫?zé)峤饨饧兌雀?，可原位監(jiān)控，可純度高，可原位監(jiān)控，可大面積生長(zhǎng)，無需襯底轉(zhuǎn)大面積生長(zhǎng)，無需襯底轉(zhuǎn)移移均勻性較差，不同原子截均勻性較差，不同原子截止面性質(zhì)差異明顯，成本止面性質(zhì)差異明顯，成本高昂高昂高性能的電子器高性能的電子器件，晶圓級(jí)件，晶圓級(jí)CVD外延外延可實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)，可控可實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)，可控性較好性較好需過渡族金屬催化，必須需過渡族金屬催化，必須襯底轉(zhuǎn)移襯底轉(zhuǎn)移高性能電子器件高性能電子器件晶圓級(jí)晶圓級(jí)化學(xué)分離化學(xué)分離工藝簡(jiǎn)單，可控性較好工藝簡(jiǎn)單，可控性較好無法大面積，含氧功能團(tuán)無法大面積，含氧功能團(tuán)降低性能降低性能基礎(chǔ)研究或小型基礎(chǔ)研究或小型器件器件 在上述制備方法中，在上述制備方法中，超聲剝離、超聲剝離、Si