95石墨烯

通向的电梯比钻石还硬的材料——石墨烯制作人：G11042小组主要内容石墨烯材料的性质石墨烯材料的制备石墨烯材料的展望石墨烯材料的简介石墨烯材料的应用一、石墨烯材料的简介1、定义石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g,具有突出的导热性能，以及室温下较高的电子迁移率。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质,因而备受关注。2、发现石墨烯是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫和安德烈•盖姆发现的，他们用超市就能买到的透明胶带，从一块高序热解石墨中剥离出了仅有一层碳原子厚度的石墨薄片—石墨烯。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下.2010年，两位科学家因此获得诺贝尔物理学奖。3、结构完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形)如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲;12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元二、石墨烯材料的制备1、机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。Berger等人已经能可控地制备出单层.或是多层石墨烯。据预测这片层。2、加热SiC法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶面上分解出石墨烯种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。3、模板法1988年京谷隆等利用模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层，一旦脱除模板，这些片层就会白组装形成体相石墨。一些研究小组正在探索如何利用二维模板的孔隙制备可自由存在的单层石墨烯片层，但至今尚无令人满意的结果报道。4、晶膜生长利用生长基质原子结构“种”出石墨烯.三、石墨烯材料的性质1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发。实现人类梦想2、出色的电学性质——电子运输碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。3，导电性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子，或更准确地，应称为“载荷子”，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。4，电子的相互作用石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。5、其它特殊性质①石墨烯具有明显的二维电子特性。②在石墨烯中不具有量子干涉磁阻③石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描述比薛定谔方程更④好可控渗透性⑤离子导电体各向异性⑥超电容性………………氧化石墨烯四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯纸状材料。氧化石墨烯片是以一种接近平行的方式相互连接或瓦片式连接在一起形成的，拉伸试验表明氧化石墨烯纸具有较高的拉伸模量和断裂强度，其平均模量为32GPa，性能与用类似方法制备的碳纳米管布基纸相当。微电子领域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，因为电子穿过石墨烯的速度与硅相比要快得多，这使得它有可能成为未来电脑芯片的主力，能用来生产未来的超级计算机。曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采用电子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛的中部位置保持一个带有微小圆笼的量子点。电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。可在26GHz频率下运作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领域。双层石墨烯可降低元器件电噪声美国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。石墨烯材料•中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。利用这一点可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫石墨烯照明•基于石墨烯的照明设备将会廉价而且环保。用石墨烯做的LECs(光电化学电池)可以取代基于金属的OLEDs(有机发光二极管)，还可以取代灯具的传统金属石墨电极使之更便宜且更易回收柔软的透明电极•在很多电器里，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、液晶显示器、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铟锡由于铟的价格高昂和供应受限，而且这种材料比较脆，缺乏柔韧性，并且制作电极过程中需要在真空中层沉积而成本比较高，很长时间以来，科学家们都在致力于寻找它的替代品。除了透明、导电性好、容易制备等要求，如果材料本身的柔韧性比较好话，将适合用来做“电子纸”或者其他可以折叠的显示设备，因此柔韧性也是一个很重要的方面。而石墨烯正是这么一种材料，非常合适来做透明电极。其它应用•pH传感器•气体分子传感器•储氧材料•药物控制释放•离子筛五、石墨烯的展望1.电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管2.进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性3.探索单电子器件4.在同一片石墨烯上集成整个电路5.其它潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域6.可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制7.最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，2025年以后可能是从“硅”时代跨越到“石墨烯”时代谢谢