石墨烯_化学_自然科学_专业资料

1、石墨烯与其他碳元索的区别在近20年中，碳元素引起了壯界各国研究人员的极人兴趣。白富勒烯和碳纳米管被科学家 发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的 碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并非是真正 意义的二维材料，单层石墨碳原了层(graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是 多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨 烯的品格中存在五元环的品格吋，石墨烯片会发生翘曲，富勒球可以便看成通过多个六元环 和五元环按照适当顺序排列得到的2、代替硅主产超级计算机科学家发现，石墨烯还

2、是目前已知导电性能最岀色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高 频电路。高频电路是现代电了工业的领头羊，一些电了设备，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，它们彼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，高频的捉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。研究人员其 至将石墨烯看作是硅的替代站，能用來牛产未來的超级计算机。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

3、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，接下来人们耍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。5、柔软的透明电极很多电器里，都需要用到透明的导电材料作为电极，电子表、计算器、电视机、液品显示器、 触摸屏、太阳能电池板等等诸多设备里都无法离开透明电极的存在。传统的透明电极用的是 氧化錮锡(简称ito),由于锢的价格高昂和供丿'v受限，而且这种材料比较脆，缺乏柔韧性， 并且制作电极过程屮需要在真空屮层沉积而成本比较高，很长时间以來，科学家们都在致力 于寻找它的替代品。除了透明、导电

4、性好、容易制备等要求，还需耍材料本身的柔韧性比较 好而石墨烯e是这么一种材料，非常合适來做透明电极。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员利用化学气相沉积的方法获得了对角长度为30英寸 的石黑烯，并将其转移到188微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,简 称pet)薄膜上，进而制造出了以石墨烯为慕础的触摸屏6、石墨烯动力锂电池10分钟就能完成充电，还不损害电池使用寿命。刘兆平说，利川石墨烯制成的石墨烯动力锂电池，电池极片的导电性能更高，电池内的电阻 更小，蓄电能力、快速充放电能力比普通锂电池强得多为何叫“石墨烯”，其尺度有多人？在有机化学中碳原子间有碳双

5、键的烯炷类化合物,如，乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯 (benzene),命名时均以ene结尾，石墨烯是石墨中的一个单层，该单层又全部由碳原子经 原了间的双键和单键联成的六角苯环状的网平而构成，因此被命名为graphene,当然其屮文 译名也就相应地成了 “石墨烯”。石墨烯是碳原了之间，如同手拉手一样，相互成键形成的一种碳分了，随加入碳原了数量的 增多，网平面就能不断扩人，具分子也就随之变人。因此其尺度也就可人可小。单层石墨烯 只冇一个碳原了的厚度，即只冇0.335纳米，这一厚度约为头发的20万分z-,这样1毫 米厚度的石墨中就将近有150万层左右的石墨烯。其实，任何物质都

6、有长、宽、厚度，可以 说都是三维的，但习惯上当某一方向为纳米级时，便认为可将其忽略。那么。究竟多少层才 可算做是二维石墨烯材料?由于石墨烯的电子结构等性能随层数增加急剧改变，因此冃前较 为一致的意见是单层、双层、多层（310层）三种都可算是二维石墨烯材料,而超过10层的就 被认为是石墨薄膜。石墨烯-介绍石墨烯是一种从石墨材料屮剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶 体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20力片薄膜蒂加到一起，也貝有一根头发丝那么厚。它 是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚诺沃谢夫和安德烈盖姆小组首先发现的。忖前冇三 种方法制备石墨烯，一种是加热sic的方法，另一-种

7、是轻微摩擦法或撕胶带法，第三种是化 学分散法。石墨烯-特性石墨烯是一种二维品体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远 超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电了，或更准确地，应称为“载荷 子”（electric charge carrier）,的性质和相对论性的中微子非常相似。石黑烯是山碳原子按六边形品格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的品格 结构，常被误认为很僞硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加 外部机械力时，碳原了血就弯1111变形。这样，碳原了就不需要重新排列来适m外力，这也就 保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚

8、石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。 这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动吋，不会 因品格缺陷或引入外來原子而发牛散射。山于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围 碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。美国哥伦比亚人学两名华裔科 学家最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竞然比钻石还坚硕，强度比 世界上最好的钢铁还耍高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿 里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的2.3万英里长（约合37000 t米）太空电梯口j能成为现实。 其

9、厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。单层石墨 烯儿乎透明，其分子排列紧密，即使原子尺寸最小的氨也不能通过。美国机械工程师杰弗 雷基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石 墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上, 才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。石墨烯的另一特性是，其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远 超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有，其导热性超过现有一切己知物质。石 墨烯的上述特性非常冇利于超薄柔性oled显示器的开发。据了解，韩国三星公司的研

10、究人 员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，须先对相対论量子力学或称量子电动力 学做一些了解。经典物理学屮，一个能量綾低的电了遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒 的顶端，那它就只能待在这一侧;在量子力学小，电子在某种程度上是可以看作是分布在空 间各处的波。当它遇到势垒的吋候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一z间 的一个数;而当石墨烯中电了波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量了电动力学來解 释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地岀现在势垒的另一侧。以下实验证实了量了电动力学的预言：事先在一

11、片石墨烯晶体上人为施加一个电压(相 当于一个势垒)，然后测定石墨烯的电导率。i般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之 增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发牛了量子隧道效应，通过率达100%0这也解 释了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全口由地穿行。总结一下特性：基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高比表 面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及人规模生产等。石墨烯应用石黑烯的应用范围很广，从电子产胡到防弹衣和造纸，甚至未來的太空电梯都可以以石 墨烯为原料。1可做“太空电梯”缆线据科学家称,地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质, 它

12、将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可 以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴” z门。 美国研究人员称，“太空电梯”的最人障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、 长达23000英里并11足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯” 完全适合用来制造太空电梯缆线。人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成木将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激 励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国nasa此前还发出了 400万美元的悬赏。2.代替硅生产超级计算机据科学家称，石墨烯除了异常牢固外，还具有一

13、系列独一无二的特性，石墨烯还是目前 已知导电性能最出色的材料，这使它在微电了领域也具冇巨大的应用潜力。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。ibm宣布研发出号称全世界速度最快的石黑烯(graphene)场效品体管(fet),可在26ghz 频率下运作。该公司thomas j. watson研究中心的研究人员并预测，碳元素更高的电子迁移 率，可望使该种材料超越硅的极限，达到100ghz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。石墨烯获诺贝尔奖他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也怦一同在荷兰 学习和研究，授后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈海姆 和康斯坦丁 诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原 子厚。与所冇其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电 性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何 其他材料的导热效果都好。海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示岀优点和良好性能，因此石墨烯可能最终 会替代硅。山于成來要经得起吋间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果i儿或儿十年 后才颁发。而石墨烯材料的制备