19石墨烯

比砖石还硬的材料———石墨烯主要内容石墨烯材料的简介石墨烯材料的制备石墨烯材料的性质石墨烯材料的应用石墨烯材料的展望发现石墨烯（Graphene）是2004年由英国曼彻斯特大学科斯提亚.诺沃谢夫(KostyaNovoselov)和安德烈.盖姆(AndreGeim)发现的，他们使用的事一种被称为机械微应力技术(micromechanicalcleavage)的简单方法。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。一、石墨烯材料的简介石墨烯（Graphene）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，是构建其他维数碳质材料（如零位富维勒烯、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。石墨烯具有突出的导热性能（3000W.m-1.K-1）和力学性（1060GPg）以及室温下较高的电子迁移率（15000cm2.V-1.S-1）。此外，他的特殊结构，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。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。2、加热Sic法通过加热单晶Sic脱除Si，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。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空隙制备可自由存在的单层石墨烯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。5、化学法二、石墨烯材料的制备三、石墨烯材料的性质1.力学性质——比砖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。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约为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。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，或更准备地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier）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当论性的体现。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、其他特殊性质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狄拉克方程来描述比薛定谔方程。④好可控渗透性。⑤超电容性……….四、石墨烯的应用Dikin等制成了无支撑氧化的石墨烯纸状材料。氧化石墨烯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，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，采用电子束曝光早材料上刻出沟道。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（terahertz）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。石墨烯可作为宇宙学研究的平台精细结构常数是物i理学中一个重要的无量纲数，用希腊字母α表示，它与量子电动力学有着紧密的渊源。它将电动力学中的电荷e、量子力学中的普朗克材料常量h、相对论中的光速c联系起来。Geim与Rahul.Nair和Peter.Blake两位博士一道，首次创造出巨大的悬浮石墨烯薄膜。他们发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度，可以吸收大约2.3%的可见光。而相关的理论研究也表明，如果将这一数字除以圆周率，就会得到较为精确的精细结构常数值。其他应用PH传感器气体分子传感器储阳材料物药控制释放离子筛作为电极材料五、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.进一步减少器件开关时间，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其他潜在应用包括：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.最重要的事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