關(guān)于石墨烯的研究

摘 要：主要介紹石墨烯的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)、制備方法，近年來(lái)的發(fā)展以及它的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯；性能；制備；應(yīng)用；前景

中圖分類號(hào)：TQ127.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 20-0000-01

一直以來(lái)，石墨烯被認(rèn)為是假設(shè)性結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），成功在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開放性實(shí)驗(yàn)”為由，共獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，自此，石墨烯的輝煌也揭開了帷幕。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維碳納米管或者堆垛成三維石墨因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。它有單雙多層之分，其中，單詞石墨烯厚度為0.334nm，約為人體頭發(fā)的十萬(wàn)分之一，并且石墨烯的性能與其層數(shù)密切相關(guān)

一、下面我們來(lái)談?wù)勈┑男阅?/p>

力學(xué)性能：在2009年，石墨烯是人類已知測(cè)量過(guò)的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它的強(qiáng)度比質(zhì)量最好的鋼鐵還要高200倍，，其硬度要好于金剛石，也是已知硬度最高的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各碳原子之間的連接十分柔韌，施加外力時(shí)，碳原子面彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列便可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比石墨烯世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1-1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

光學(xué)性能：根據(jù)理論推導(dǎo)，懸浮的石墨烯會(huì)吸收2.3%的白光，普通采光玻璃透光率達(dá)80%以上，石墨烯薄膜透過(guò)率可達(dá)97%以上。

熱學(xué)性能：石墨烯最大的特性可能便是其電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了10000m/s，約為光速的1/300，大于電子在其他物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度，其還具有100倍的硅的超高載流子遷移率

二、石墨烯的發(fā)展歷程

·1934年，朗道和佩爾斯提出準(zhǔn)二維晶體材料由于其自身熱力學(xué)不穩(wěn)定，在常溫常壓下迅速分解。

·1960年，林納斯·鮑林提出質(zhì)疑石墨烯的導(dǎo)電性

·1987年，穆拉斯首次提出使用“graphene”這個(gè)名稱來(lái)指定石墨烯

·2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨中成功分離出石墨烯。

·2006年，佐治亞理工學(xué)院宣布，他們成功地制造了石墨烯平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并觀測(cè)到了量子干涉效應(yīng)，并基于此結(jié)果，研究出以石墨烯為基材的電路.

三、石墨烯的制備方法及應(yīng)用

目前，石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段，主要的制備方法有微機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、氧化石墨還原法和化學(xué)氣相沉淀CVD法；其中氧化石墨還原法由于制備成本相對(duì)較低，是主要制備方法。

石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良；氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽(yáng)極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。

石墨烯因其本身結(jié)構(gòu)，使其具備目前世界上最硬、最薄的特征，同時(shí)也具有很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這些及其特殊的特性使其擁有無(wú)比巨大的發(fā)展空間，未來(lái)可以應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領(lǐng)域。

四、石墨烯的問題

盡管有著巨大的市場(chǎng)空間，但是目前在國(guó)內(nèi)石墨烯的制備方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化程度，多數(shù)企業(yè)只能小量生產(chǎn)石墨烯，此外，下游的應(yīng)用和需求也還未形成，預(yù)計(jì)在8到10年內(nèi)無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)化。因石墨烯而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的諾沃肖洛夫指出，目前石墨烯的應(yīng)用受限于材料生產(chǎn)，那些使用最低級(jí)最廉價(jià)石墨烯的產(chǎn)品會(huì)最先面世，可能只需幾年，但是那些依賴于高純度石墨烯的產(chǎn)品可能要數(shù)十年才能開發(fā)出來(lái)。在“2014年中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)”上，盡管目前市場(chǎng)還未形成對(duì)石墨烯的規(guī)模化需求，但不少公司宣稱已經(jīng)掌握了石墨烯的制備方法，并已開始規(guī)模化生產(chǎn)，專業(yè)人士對(duì)此表示恐怕本質(zhì)是資本炒作的結(jié)果。

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