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石墨烯是什么?

1904月
更新时间:04月19日|标签:

近年来,我们经常听见石墨烯这个名词,在各种媒体也经常看到各种研究进展的公布,并且听见报道说它能如何如何的改变我们的生活。那么,石墨烯到底是一个什么东西,真的就有这么厉害吗?它是如何在科学界发挥它的作用,现在能不能又能不能商业应用呢?那么我们就来一起了解科学界的明星——石墨烯

什么是石墨烯?

我们都知道什么是碳,碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”。碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。或许你还知道什么是石墨,但是石墨烯就不了解了,事实上,石墨烯就是由碳元素组成的,只是结构与普通的碳不一样,就好比我们熟知的钻石,事实上也是碳的一种,只是碳原子的空间结构不一样。

石墨烯是什么?

钻石中碳原子结构

石墨烯是从石墨中分离出来的,是一种单原子层二维碳纳米材料,层内碳原子之间以共价键相连,呈现蜂窝状晶格结构,石墨是一种常见的矿物,是由许多层碳原子组成,具有层状结构,层与层之间可以相互剥离,因此,石墨可以用来制作铅笔,书写过程中由于层间的脱落留下书写痕迹。石墨对于我们来说是非常常见的物质。而石墨烯便是纳米尺寸的单层二维结构。

石墨烯是什么?

石墨矿物

 

石墨烯是什么?

石墨的层状原子结构

石墨烯的结构如下图所示,碳原子以六元环的形式排列在同一平面内。碳原子之间以 δ 键的形式互连,每个碳原子都会形成三个 δ 键,从而使石墨烯能够拥有良好的机械性能。碳原子周围剩余的价电子会形成与碳平面垂直的共轭大 π 键,因此电子可在石墨烯平面间自由移动,这也保证了石墨烯具有优良的导电性能。石墨烯中的长程共轭 π 键使其拥有良好的热力学性能机械性能导电性能

石墨烯是什么?

石墨烯原子结构

石墨烯是什么?

大Π键的形成

 

2004年,Science杂志首次报道了曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分离出稳定的石墨烯,并论述了石墨烯材料的基本性质。长期以来,人们一直认为单原子层的二维材料是不稳定的,所以不可能在自然界中获得。 直到2004 年 Novoselov 等用一种非常简单的胶带剥离法将石墨剥离成单层的石墨烯,从此开启了石墨烯等二维纳米材料的新时代。他们关于石墨烯的研究被授予2010年诺贝尔物理奖,轰动世界,推动了石墨烯材料的研究,促进了石墨烯在物理、化学、材料、生物医学和环境方面的研究。 石墨烯商业化的新产品也不断出现。多国政府把石墨烯材料立为国家重点发展对象,关于石墨烯材料的投资也越来越多。近年来关于石墨烯的研究报道呈指数上升,同时很多疑问和困惑也相继产生。

石墨烯有何优异的性能

1.导电性

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源子而发生散射。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。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“载子”的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯是什么?

 

石墨烯是什么?

 

2.机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。并且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度,平均模量可达0.25TPa,不过它的断裂强度并没有报道。此外,目前人们组装成了一种纸状材料。这种材料的平均弹性模量和最大断裂强度分别达到了32GPa和120 MPa。

石墨烯是什么?

石墨烯碳纳米管

3.热性能

石墨烯具有非常好的热传导特性。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK,是目前为止导热系数最高的碳材料,高于单壁碳纳米管(3500 W/mK)和多壁碳纳米管(3000 W/mK)。当它作为载体时,它的导热系数也可达600W/mK。

由于能将电子产品运行中产生的大量热量快速扩散到空气中,使其获得更好的工作性能和稳定性,石墨烯在电子设备散热应用中具有非常广阔的前景。由于具备高的热电转化效率及独特的物理化学性质,石墨烯吸引了众多科学家的目光。最近的研究发现,由于石墨烯的透明性、柔性、可快速加热以及石墨烯片层上温度的均匀性,石墨烯被视为理想的加热元件。

现在的很多智能旗舰手机就使用石墨烯贴片为手机散热,从而充分发挥手机性能。

石墨烯是什么?

手机使用石墨烯散热

 

石墨烯是什么?

 

石墨烯的工业应用领域

代替硅生产半导体芯片

目前,晶体管由昂贵的硅制成,在电子设备中应用时会产生热量,且运转速度越快,电子高速碰撞就会越激烈,产生的热量也越多,这也是限制电子产品运转速度的一个重要因素。由于室温下的量子自旋霍尔效应,电子在石墨烯中穿行没有任何阻力,产生的热量也很少,而且石墨烯本身具有较高的热导率,产生的热量也会很快散掉,因此石墨烯电子产品比硅具有更高的运行速率。石墨烯还可用来制备射频晶体管,目前射频晶体管主要采用半导体材料硅或更贵的磷化铟,在相同的工作电压下,电子在石墨烯中的速度是在磷化铟中的10 倍、硅材料中的100倍。

石墨烯是什么?

半导体芯片

研究者们还证明了在石墨烯中掺杂一定数量的多电子型分子可改变石墨烯的电化学特性,并在此基础上制备了n型晶体管,向石墨烯基电路迈出了关键一步。据估计,石墨烯芯片处理器的频率有望达到1 THz以上。虽然目前石墨烯的研究仍处于基础研究阶段,但由于其优异的性能以及制备石墨烯的原料是价格低廉的石墨,因此用石墨烯替代硅制造电子产品的应用前景十分广阔。

石墨烯是什么?

 

柔性显示

石墨烯由于具有很好的导电性和透明性,可弯折且机械强度好,使其在柔性显示领域有着广阔的应用前景。相较于ITO,石墨烯具有更佳的柔性及透光性。这种超柔性的石墨烯层让许多产品得以实现,包括可折叠的电子产品、柔性触摸屏和可穿戴设备。

石墨烯是什么?

柔性显示屏

锂离子电池

常规锂电池的非碳基负极材料主要包括锡基硅基及其它过渡金属材料,在锂电工艺中,由于充放电过程中的热胀冷缩以及应力的变化,负极材料易发生脱落、破裂等现象,导致循环性能大幅下降。加入石墨烯改性的复合材料后,不仅可以提高材料的稳定性、导电性、储锂容量,还可增加其使用寿命,这符合电池工业的发展理念。同时,由于具有优异的导电性能和机械性能,石墨烯也可应用于锂电池的正极材料。应用石墨烯,可改进一些储锂能力高但导电率低的材料的性能,还可增强正极材料的机械性能,提高其使用寿命。石墨烯也可用于电极材料的添加剂,增强添加剂的导电能力,提高其循环性能和高倍率性能。通过不断的实验和研究,石墨烯可逐步替代石墨、乙炔黑等常规电池添加剂。

石墨烯是什么?

 

石墨烯对于现代工业的影响非常巨大,不仅涉及到工业,还有军事等,石墨烯从 2004 年被人们发现到现在十几年的时间里,因其独特的力学、光学和电学等物理化学性能吸引着世界众多科学家的目光。 正是由于石墨烯在材料领域的迅速兴起, 一些在结构上与其相似的二维纳米材料(例如氮化硼、二硫化钼和黑磷等)也得到蓬勃发展, 整个二维纳米材料大家族引起了全世界科学家的关注。目前,虽然有关石墨烯制备方法的报道很多, 但是由于各种制备方法的局限性限制了石墨烯的应用研究和工业化发展, 如何找到一种低成本大规模生产高质量石墨烯的方法仍然是当前石墨烯研究的重点。另外,加速石墨烯的功能化以及复合材料的研究也可以扩宽它的应用领域。 随着科学家们研究的不断深入,石墨烯及其复合材料在新能源材料、生物医学、净水、纳米电子器件等领域将具有广阔的应用前景。

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