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石墨烯——改变世界的新材料

2013-8-1 14:20| 发布者: fansiyuan| 查看: 4366| 评论: 0

摘要: 2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间,未来可以应 ...
       2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间,未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身,故有业内人士如此评价:如果说20世纪是硅的世纪,石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性变化。
一、    了解石墨烯材料
       石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性:

第一、石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。
第二、石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100 纳米),那么它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂。

上图为高定向热解石墨(HOPG),下图为从HOPG撕出来,置于厚度300 nm的
二氧化矽表面的石墨片烯。左下角浅色三角形为单层石墨片烯,其余为1 - 5层不等。

二、应用领域
      根据石墨烯超薄,强度超大的特性,石墨烯可被广泛应用于各领域,比如超轻防弹衣,超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性,使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机,碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂,在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面,由于其高传导性、高比表面积,可适用于作为电极材料助剂。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。


1、纳电子器件方面
2005年,研究发现室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V•s),并且受温度和掺杂效应的影响很小,表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m),这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势,使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间,超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外,石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能,使探索单电子器件成为可能。


贝尔实验室的Fulton等人制成的128Mbit石墨烯单电子存储器芯片照片

2、代替硅生产超级计算机
      科学家发现,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊,一些电子设备,例如手机,由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频率越高,热量也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。
3、光子传感器
      石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的,现在,这个角色还在由硅担当,但硅的时代似乎就要结束。去年10月,IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器,接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。
4、基因电子测序
      由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹,因此,石墨烯有望实现直接的,快速的,低成本的基因电子测序技术。
5、减少噪音
     美国IBM 宣布,通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”,试制成功了新型晶体管,同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯,试制成功了相同的晶体管,不过与预计的相反,发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合,从而控制噪音,噪声。


IBM展示全球最快石墨烯晶体管,处理速度可达100GHz

6、隧穿势垒材料
     量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应,其量子行为遵守薛定谔波动方程,应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料,由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱,通常具有较高的能耗和发热量,影响到了器件的性能和稳定性,甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势,美国海军研究试验室(NRL)将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。
7、其它应用
     石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。


从左到右:在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域;组装好的石墨烯触摸屏面板;接到电脑上使用的石墨烯触摸屏

三、石墨烯材料的表征研究
       石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元:石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的,它只包括六边形(等角六边形);如果有五边形和七边形存在,则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管;另外石墨烯还被做成弹道晶体管,并基于此结果,石墨烯结构理论研究至关重要。

1、光学显微镜
光学显微镜是判断石墨烯厚度和层数的方法之一。单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚度(300nm)的SiO2层Si晶片上,可以在光学显微镜下观测到。这是因为单层石墨层和衬底对光线产生的干涉有一定得对比度。受空气-石墨层-SiO2层间的界面影响。
石墨烯以及其它许多二维材料的厚度,还可以通过测量其材料表面反射的红、绿、蓝光的成分来获得。该研究发现,放置样品的基片与样品本身发出的红、绿、蓝光光强的对比度随着样品厚度的增加而增加。

2、电子显微镜
利用电子显微镜研究石墨烯结构特征是研究的重要进展。利用电子显微镜对石墨烯的层数、堆垛方式、取向和表面形貌等结构特征进行研究,可以分析表面缺陷、边缘结构及吸附原子等。在电子显微镜下,可以发现石墨的结构是层状的, 每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边形网格,层与层之间的距离则比较大,形成松散的堆砌。


                                                              电子显微镜下观测的石墨烯片,其碳原子间距仅0.14纳米

具有层状结构的石墨烯-金纳米粒子的复合物薄膜的扫描电镜图

单层石墨烯在铜箔表面扫描电镜图

       利用光学显微镜和电子显微显微镜可以对石墨烯的结构特征进行研究,也是研究的强有力实验手段之一。短短几年来,石墨烯的研究发展非常迅速,各种研究成果层出不穷,展示出了这种理想的二维晶体在基础研究和实际应用中的巨大潜力。






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