新能源论坛-石墨烯

石墨烯新材料-新能源论坛张传祥2010.102010年诺贝尔物理奖简介碳及炭材料石墨烯研究进展体会提纲12342010年炸药奖简介1TheNobelPrizeinPhysics2010wasawardedjointlytoAndreGeimandKonstantinNovoselovforgroundbreakingexperimentsregardingthetwo-dimensionalmaterialgrapheneTHENOBELPRIZEINPHYSICS2010安德烈·盖姆康斯坦丁·诺沃肖罗夫Athinflakeofordinarycarbon,justoneatomthick,liesbehindthisyear’sNobelPrizeinPhysics.AndreGeimandKonstantinNovoselovhaveshownthatcarboninsuchaflatformhasexceptionalpropertiesthatoriginatefromtheremarkableworldofquantumphysics.THENOBELPRIZEINPHYSICS2010INFORMATIONFORTHEPUBLICGrapheneisaformofcarbon.Asamaterialitiscompletelynew–notonlythethinnesteverbutalsothestrongest.Asaconductorofelectricityitperformsaswellascopper.Asaconductorofheatitoutperformsallotherknownmaterials.Itisalmostcompletelytransparent,yetsodensethatnotevenhelium,thesmallestgasatom,canpassthroughit.论文Novoselovetal,Science306,666(2004)制备In2008:Autoconsumes60%ofallfuelconsumptioninChina背景表征表征Novoselovetal,Science306,666(2004)1μm0Å9Å13ÅSiO2SiAucontactsGRAPHENE1mGraphene:easytomake,hardtofind.5mpencil,paperandstickytape碳及炭材料2碳元素在周期表中的位置FormsofbondinginCarbonsp2sp3Veryflexiblebonding:richnessofstructuresGraphiteDiamond化合物键解离能/KJ/mol键间距/nmHC—CH3630.153HC＝H6720.134HC≡CH8160.121轨道杂化碳的同素异形体Sp3Sp1Sp2聚炔－金刚石超金刚石卡宾石墨金刚石多环网石墨烯玻璃碳类金刚石富勒烯无定形炭缩合崩溃纳米碳管C70,P/H=0.5C60,P/H=0.6富勒烯C60,P/H=0.6C60,P/H=0.6C60,P/H=0.6假设D-G碳的同素异形体787assemblers石墨烯研究进展3•维基百科:Grapheneisaone-atom-thickplanarsheetofsp2-bondedcarbonatomsthataredenselypackedinahoneycombcrystallattice.Itisthestrongestknownmaterial.Itcanbeviewedasanatomic-scalechickenwiremadeofcarbonatomsandtheirbonds.ThenamecomesfromGRAPHITE+-ENE;graphiteitselfconsistsofmanygraphenesheetsstackedtogether.”•简而言之:单层sp2杂化的碳原子构成二维蜂窝状物质定义制备方法加热SiC的方法加热单晶SiC脱除Si,在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250℃～1450℃后恒温1min～20min,从而形成极薄的石墨层。轻微摩擦法或撕胶带法用另外一种材料与膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中往往含有单层的石墨烯。化学分散法将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理约5min,然后取一滴溶液滴在表面附着厚度为200nm的氧化膜的硅晶片上。最后,用异丙醇洗涤硅晶片,并在氮气中晾干,这样分散得到的石墨片层的厚度范围在几百纳米到几纳米之间,可以看到由单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层,一旦脱除模板,这些片层就会自组装形成体相石墨制备方法a.薄定义里提到了，单层原子厚度。(Howmanygraphenesheetsareina2mmthickslabofgraphite?~6million)特性b.硬、柔使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。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。特性c.快常温下具有极快的电子传输速率.(比曾经最快的半导体材料砷化镓快30倍,比硅快100倍,因此可以说是目前最快的半导体)特性•石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。•这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。特性•1929年,针对二维Dirac方程,O.Klein提出隧穿效应:O.Klein,ZPhys.,53,157,1929•2006年,Katsnelson,Geim,和Novoselov提出可以用石墨烯来检验Klein隧穿效应:M.I.Katsnelson,K.S.Novoselov,andA.K.Geim,NaturePhysics,2,620,2006•2009年,得到证实:A.F.Young&P.Kim,NaturePhysics,5,222,2009•用石墨烯测量分数量子Hall效应,精细结构常数,等:R.R.Nair,P.Blake,A.N.Grigorenko,K.S.Novoselov,T.J.Booth,T.Stauber,N.M.R.Peres,andA.K.Geim,Science,320,1308,2008最新研究进展•据科学家称，尽管石墨在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人类已知强度最高的物质，但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。2008年8月，美国科学家证实，石墨烯是目前已知世界上强度最高的材料最新研究进展《自然—纳米技术》：科学家发现可大量生产石墨烯的新方法美国加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的YangYang和同事，将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，这种溶液将氧化石墨纸压缩成了单层石墨烯。这是首次报道使用肼作为溶剂，生产出的石墨烯是比之前更为有效的电导体。研究人员还可以通过改变肼溶液的浓度和成分来控制石墨烯薄层的面积。同时，这种方法也能保存薄层的完整性，产生了迄今已知最大的石墨烯薄层——20微米×40微米。相关论文11月9日在线发表于《自然—纳米技术》（NatureNanotechnology）最新研究进展（图片来源：VincentTung,MatthewAllen,AdamStieg）《自然》：大规模生产低成本石墨烯已成可能由韩国成均馆大学和三星先进技术研究院的研究人员制备出的这种最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率达80%；在弯曲或延展过程中，它不仅不会断裂，其电学特性也不会有任何改变。韩国研究人员使用了一种名为化学气相沉积的方法。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，研究人员能够制备出图形化的石墨烯薄膜。最新研究进展图为韩国科学家最新制备出的石墨烯薄膜。这一工作使得大规模生产低成本的柔性石墨烯电子产品成为可能IBM研制出原子尺寸的双层石墨烯晶体管据《科技日报》2008年4月17日报道,美国IBM公司T·J·沃森研究中心的科学家,最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题,即通过将两层石墨烯片叠加,可以将元器件的电噪声降低10倍,由此可以大幅改善晶体管的性能,这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。有关研究结果发表在最新一期的《纳米通讯》上。最新研究进展纸片般薄的超轻型飞机材料超坚韧的防弹衣“太空电梯”缆线代替硅生产超级计算机超导材料显微滤网令人神往的发展前景Dreamworld体会4科学精神Aseriousgame•“Makingpeoplelaughfirstandthinksecond”•In1997,afroglevitateinamagneticfieldIgnobelprizein2000理论到实验的历程2010年的物理学诺奖给K.S.Novoselov,A.K.Geim.在文告中给出了如下信息.从1947年石墨烯概念的提出,到2004年成功制作成石墨烯的科学研究工作.这是一个历时近57年的过程.而在1962-2000年的有关研究都给出:不能制作成石墨烯的“结论”.但是，K.S.Novoselov,A.K.Geim等人,用1999年就被提出的方法，在提出者没有做成功的背景下,在2004年得到稳定的石墨烯片。这项成果使得1929年就被提出的、在物理学上有重大理论价值的、有关Klein隧穿效应（二维Dirac方程）提供了检验（实验测量）的必要器件（2009年)。以及,测量分数量子Hall效应,精细结构常数,等的方法.这就为:对近70年时间跨度的有关理论研究提供了实验研究的直接推动力.怀疑精神怀疑精神主线:理论到实验的历程1947年,提出石墨烯的概念,理论探讨(电子结构和线性频散关系):P.R.Wallace,Thebandtheoryofgraphite,Phys.Rev.71,622-634,1947）1956年,建立石墨烯的激发态的波动方程:J.W.McClure,DiamagnetismofGraphite,PhysicalReview,104,666-671,19561984年,该方程与Dirac方程的相似性被发现:G.W.Semenoff,Condensed-mattersimulationofathree-dimensionalanomaly,PhysicalReviewLetters53,2449-2453,1984;以及,D.P.DiVincenzo&E.J.Mele,Self-consistenteffective-masstheoryforintralayerscreeningingraphiteintercalationcompounds,PhysicalReviewB,29,1685-1694,19841999年,提出实验方法,但是没有做成功:X.K.Lu,M.F.Yu,H.Huan