纳米材料的研究进展及其应用

纳米材料的研究进展及其应用姓名：李若木学号：115104000462学院：电光院1、纳米材料1.1纳米材料的概念纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。1.2纳米材料的发展自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。2、纳米材料：石墨烯2.1石墨烯的概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystallinesilicon）高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。2.2石墨烯的制备方法机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。化学气相沉积法（CVD）是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。2.3石墨烯的性质1、电子效应石墨烯一经发现，研究热潮接踵而至。在石墨烯领域，研究最深的是石墨烯的电性质。原因应该是石墨烯无与伦比的高电子迁移率。最先分离出石墨烯，来自曼彻斯特的小组测量了他们分离出的单层石墨烯分子的电子迁移率，发现电荷在石墨烯中的迁移速率达到10000cm2/vs，这个测量结果还是在未除去杂质与衬底，保持室温的条件下进行。相比之下，现代晶体管的主要材料硅的电子迁移率不过1400cm2/vs。当然，这个数据记录并没有保持多久，在2008年，由Geim和他同事领导的小组声称电子在石墨烯中迁移速率可以到达前所未有的200000cm2/vs。而不久之后，来自哥伦比亚大学的KirillBolotin将这个数值提高到250000cm2/vs，超过硅100倍以上。石墨烯在电子迁移率上另一个优异性质是它的迁移率大小几乎不随温度变化而变化。电子迁移率之所以受温度影响，是因为电子在传递过程中受晶体晶格震动的散射作用，导致电子迁移率降低，而晶格震动的强度与温度成正比。即温度越高，电子迁移率越低。然而石墨烯的晶格震动对电子散射很少，几乎不受温度变化影响，马里兰大学的研究人员在50K和500K之间测量了单层石墨烯的电子迁移率，发现无论温度如何变化，电子迁移率大约都是15000cm2/vs。石墨烯的超强导电性与它特殊的量子隧道效应有关。量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致，科学家们在石墨烯晶体上施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，部分电子不能越过势垒，使得电导率下降。但事实并非如此，所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这是石墨烯极高载流速率的来源。与光子类似，石墨烯中的电子没有静止质量。二者另外一个相似之处是它们的速度与动能无关，均为常数。没有静止质量也导致石墨烯中的电子行为符合相对论化的狄拉克电子方程，而薛定谔方程对其则不适用。石墨烯还呈现出量子霍尔效应，并且与众不同的是，石墨烯的量子霍尔效应能在室温下被观测到。2.非电子效应除了特殊的电子效应，石墨烯的非电子效应也同样值得关注。石墨烯的导热能力出众，达到了5000W/(m·k)，是金刚石的五倍。而在石墨烯发现以前，金刚石是已知自然界中热导率最高的。同时石墨烯还是现在世界上已知的最为坚固的材料，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛。这一结果相当于，施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。除了强度高，石墨烯还同时展现出高柔韧性与脆性这两个相互矛盾的性质，这一点史无前例，同样前无古人的发现是石墨烯不容许任何气体通过，可以说是隔绝气体的优良材料。不过关于非电子效应，我们甚至不知道石墨烯的熔点，也不知道它如何熔化的，这源于石墨烯极小的尺寸。3.化学性质石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子（例如：二氧化氮，氨，钾）。这些吸附物往往作为给体或受体并导致载流子浓度的变化，石墨烯本身仍然是高导电。其他的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会导致导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰不同吸附物而已。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。第一个功能化石墨烯的例子是graphane：它由二维的碳氢化合物的一个氢原子连接到石墨烯的每个六边形格而成。除了氢原子，许多其他功能化机团也不失为寻找新型石墨烯复合材料的选择。“石墨纸”是一个受人瞩目的例子：由未功能化的石墨烯薄片产生的石墨纸多孔、非常脆弱；然而，由致密氧化的石墨烯产生的石墨纸则坚硬强韧。除功能化外，石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。2.4石墨烯的应用石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的物理性质。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中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。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片，为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信大规模商用指日可待。另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用.2.5石墨烯的近几年发展成果英国在2012年底宣布追加投资2150万英镑资助石墨烯研究项目，推进石墨烯的商业化进程。于2013年11月启动的PolyGraph项目正开发提供工业规模量的石墨烯增强热固性聚合物（TSP）生产技术，这是由英国NetComposites公司牵头的欧盟多方合作项目。2013年3月，美国科学家研发出以石墨烯技术为基础的超级电容器，充电速率远高于普通电池，用其为一部iPhone手机充满电仅需5秒钟，2013年5月，美国西北大学研发石墨烯墨水，可用于软性电子产品。在2014年3月，美国能源部国家直线加速器实验室（SLAC）和斯坦福大学的一项研究首次揭示了石墨烯插层复合材料的超导机制，该研究有助于推动石墨烯在超导领域的应用，开发出高速晶体管、纳米传感器和量子计算设备。同样在2014年，美国科学家利用石墨烯在红外传感器技术上有了全新的突破。他们将石墨烯技术用于红外线图像传感器的制造，设计了体积很小的图像传感器，不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器，新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。2013年1月，日本东北大学多元物质科学研究所与昭和电工联合开发出量产优质石墨烯片的技术，这意味着在利用石墨烯作为汽车的电池材料及轻量高强度结构材料方面迈出了重要一步。2013年7月，日本名古屋大学的研究小组开发出像马鞍一般弯曲的碳纳米分子，并将这种碳纳米分子命名为“弯曲纳米石墨烯”，有望在电子元件和医疗等领域得到应用。美国IBM公司研究人员在2014年3月利用主流硅CMOS工艺制作世界上首个多级石墨烯射频接收器，并进行了字母为“I-B-M”的文本信息收发测试，这款接收器是迄今为止最先进的全功能石墨烯集成